2015-01 MIRA Ceti sprak met... Steven Lowette
Hoe zou het intussen zijn met de LHC (Large Hadron Collider), de gigantische deeltjesversneller van het CERN die in de buurt van Genève ondergronds speurt naar de fundamentele structuren waaruit ons universum is opgebouwd? In 2008 gingen de experimenten van start en in 2012 werd het lang gezochte Higgs-boson ontdekt, een ware triomf voor de moderne wetenschap. Intussen ligt de LHC sinds enkele maanden stil voor een grote onderhoudsbeurt en ook om het instrument klaar te stomen voor een periode van drie jaar activiteit, dit op een bijna dubbel zo hoog energieniveau als voorheen. Deeltjesfysici kijken vol spanning uit naar deze nieuwe fase in de werking van de LHC in de hoop dat er mogelijk binnen afzienbare tijd aan het CERN belangwekkende ontdekkingen worden gedaan.
MIRA Ceti trok naar de VUB om er met Steven Lowette (°1979), onderzoeksprofessor aan het High-Energy Physics onderzoekscentrum, over het onderzoek met de LHC en over elementaire deeltjes te spreken, en om te polsen hoe het zit met het onderzoek naar de donkere materie in het heelal, een brandende kwestie in de hedendaagse natuurkunde en sterrenkunde. Misschien wordt dit mysterie door de onderzoeksgroep van Steven weldra ontraadseld?
Steven, uit betrouwbare bronnen heb ik vernomen dat jij als jonge kerel al erg actief was op Volkssterrenwacht MIRA?
Dat klopt. Ook op school had ik veel interesse voor wiskunde en wetenschappen, maar het is inderdaad op MIRA dat mijn fascinatie voor sterrenkunde en al wat daar mee te maken had volledig tot ontbolstering kwam. Ik was eigenlijk te jong om aan de cursus sterrenkunde te mogen deelnemen, maar Frank Deboosere zorgde ervoor dat er een oogje werd dichtgeknepen. Nadien was ik een trouwe aanwezige op de vrijdagavondvergaderingen waarbij we soms tot heel laat over sterrenkunde maar ook veel over computers bezig waren, die begonnen immers halfweg de jaren 1990 ingeburgerd te raken, en wij waren enorm gefascineerd door al wat met behulp van die instrumenten in de toekomst mogelijk zou worden. En voorts ben ik verschillende keren mee op waarnemingskamp getrokken, dat waren telkens fantastische ervaringen. In het atheneum van Etterbeek waar ik school liep hadden wij in het hoger middelbaar ook een bijzonder begeesterende leraar fysica, het lag dus wel in de lijn der verwachtingen dat ik vervolgens aan de VUB voor die studierichting zou opteren.
Na mijn licentie – wat nu master heet, kon ik er aan mijn doctoraat beginnen, een studie over het ontwerpen van een experiment aan de LHC om met behulp van de CMS-detector geladen Higgs-deeltjes te kunnen identificeren. Ik kwam terecht in het team van Jorgen D’Hondt, en hij is een man met een ongelooflijke drive, door zijn toedoen heb ik echt enorm van dat studiewerk kunnen genieten tijdens mijn doctoraatsjaren. Qua timing zat dat doctoraat ook heel goed, want kort voordat ik het afgewerkt had waren er twee lijvige boeken verschenen met daarin tot in het detail uitgewerkt alle fysica-analyses die werden voorzien om aan het CMS-experiment uitgevoerd te worden. Ons driekoppig team heeft maar liefst acht bijdragen geleverd aan die twee turven, wat best indrukwekkend mag genoemd worden, en die bijdragen werden nadien netjes in mijn thesis gebundeld, die bovendien ook nog bekroond werd als beste van het jaar voor wat betreft het CMS-experiment.
Na mijn doctoraat kreeg ik de kans om aan de universiteit van Santa Barbara op hetzelfde onderwerp verder te werken in het team van professor Joe Incandela. Hun departement fysica staat op een buitengewoon hoog niveau, op het moment dat ik de groep vervoegde hadden zij de directeur van Fermilab, toch het tweede grootste laboratorium voor deeltjesfysica ter wereld, als experimenteel professor, en intussen lopen er daar maar liefst zes Nobelprijswinnaars rond.
Toen professor Incandela mij aanbood om bij hem te starten, was al geweten dat hij een half jaar later naar het CERN zou vertrekken om er Deputy Physics Coordinator aan het CMS-experiment te worden. Aan een dergelijk uiterst complex experiment wordt al gauw door enkele duizenden wetenschappers samengewerkt, dus is er een bepaalde hiërarchie en structuur nodig om dat allemaal in goede banen te leiden. Voor de fysica is er één coördinator met daaronder enkele afgevaardigden of deputies. En na zijn benoeming nam Incandela zijn familie en zijn hele onderzoeksgroep mee naar Zwitserland, dus in de praktijk heb ik maar vijf maanden in Santa Barbara gezeten. Aan het CERN heb ik zes jaar in die onderzoeksgroep van drie studenten en twee en later drie postdocs samengewerkt, en in die tijd hebben we een heel parcours afgelegd. Eerst hebben we software ontwikkeld om de resultaten die door het experiment zouden worden geproduceerd te kunnen analyseren, en dan zijn we ons volledig gaan toeleggen op de hardware om ervoor te zorgen dat alle onderdelen van het experiment gekalibreerd raakten en dat op het moment dat de versneller opstartte alles naar behoren zou werken.
Achteraf gezien was dat de boeiendste periode van al, mensen van allemaal andere instituten van over bijna de hele wereld werken dag en nacht eendrachtig en gepassioneerd samen met maar één doel voor ogen: zorgen dat het werkt. En als je daar dan staat op het moment dat die reusachtige versneller, het meest complexe instrument dat ooit is gebouwd, van start gaat en het ding blijkt echt te werken, het gevoel dat je dan ervaart is onbeschrijfelijk!
Je zit daar tussen mensen die allemaal weten wat de bedoeling is van de LHC. Hebben jullie ook een idee hoe de buitenwereld staat tegenover jullie onderzoek?
Er is alleszins steeds veel persbelangstelling voor de projecten aan het CERN, en de pers informeert het publiek via televisie, radio, het internet en de geschreven pers. Bij het opstarten van de LHC of toen het nieuws bekend raakte dat het Higgs-boson ontdekt was heb ik gevolgd wat er daarover in de Belgische pers verscheen, en ik was verbaasd hoeveel media-aandacht er voor die gebeurtenissen was. Bij de rubrieken ‘meest gelezen’ stonden die artikels steevast bovenaan, en ook op allerlei fora kon je uit de vele reacties duidelijk merken dat dit alles de mensen zeker niet onberoerd liet. En ik las toch vooral positieve commentaren. Soms stelde men wel dat het allemaal moeilijk te begrijpen is voor buitenstaanders, maar dat het hoe dan ook een fantastisch verhaal is.
Is het inderdaad mogelijk om het functioneren van die wereld van het extreem kleine waar jullie via complexe vergelijkingen en voor de leek onleesbare schema’s en grafieken vat op krijgen te vertalen in een meer begrijpelijke taal?
Regelmatig komen er middelbare scholieren op bezoek aan de universiteit om eens te kijken hoe het er hier aan toe gaat. Het is perfect mogelijk om hen op een begrijpelijke manier uit te leggen wat voor onderzoek wij hier doen. En onlangs gaf ik in Turnhout voor een honderdtal personen een lezing over elementaire deeltjes, de fundamentele krachten in de natuur en donkere materie, aan het eind van die lezing zat het publiek nog geboeid te luisteren, ik veronderstel dat het dan wel verstaanbaar en interessant zal geweest zijn, niet? En op zich is de theorie behoorlijk simpel - dat is trouwens iets wat fysici altijd proberen na te streven: simpliciteit. Bekijken we het standaardmodel van de elementaire deeltjesfysica, zien we enerzijds twaalf deeltjes die de materie vormen en anderzijds vier deeltjes die krachten overbrengen tussen de materiedeeltjes, dus dat zijn niet zoveel bouwstenen waarvan de natuur zich bedient om een zichtbaar universum te scheppen. Als je trouwens de up quark, de down quark en het elektron samenneemt, met slechts die drie materiedeeltjes kan je alles opbouwen wat je in het dagelijks leven tegenkomt. Wat de krachten betreft wordt de elektromagnetische kracht gedragen door het foton, hetgeen we het best kennen als licht, het gluon is het deeltje dat de atoomkernen samenhoudt, we hebben het dan over de zogenaamde sterke kernkracht, en dan hebben we nog het Z- en W-boson die zorgen voor de zwakke kernkracht. Dat is geen kracht die we direct kunnen observeren, maar zonder die Z- en W-bosonen zou de Zon niet stralen, op die manier kunnen we de zwakke kernkracht toch nog in verband brengen met de werkelijkheid van alledag.
Eenmaal de versneller opgestart was kon de eigenlijke zoektocht beginnen?
Juist, ik ben toen geswitcht naar fysica-analyse, meer bepaald de zoektocht naar supersymmetrische deeltjes. En redelijk snel, na een half jaar, hebben wij een eerste analyse kunnen afwerken, dat was toen het beste resultaat. We hadden natuurlijk heel hard gewerkt om zo snel mogelijk met een resultaat te kunnen uitpakken, want er waren andere teams die ook hard aan het werken waren om via hun experimenten met hun analyses naar buiten te treden. En wij zijn blijven analyses doen van hetgeen wij met het CMS-experiment konden detecteren op zoek naar sporen van supersymmetrie.
Hoe ben je dan terug bij de VUB terecht gekomen, Steven?
Ik had aanvankelijk niet per se de bedoeling om naar België terug te keren, maar toen ik hoorde van het Odysseus-programma van het Vlaams Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek waarbij het de bedoeling is om vorsers uit het buitenland terug te halen naar ons land, leek me dat een prima gelegenheid om opnieuw bij de VUB aan de slag te gaan. Daarvoor dien je een goed gefundeerd project uit te werken dat loopt over een periode van vijf jaar, dat wordt gereviewd binnen het FWO maar ook door externe en internationale specialisten, en vervolgens wordt er een rangschikking opgemaakt. Voor mij verliep die selectieprocedure positief, want het door mij voorgestelde project aan de VUB kwam eruit als eerste in de rangschikking. En dus stelde het FWO een mooie som geld ter beschikking om gedurende vijf jaar een eigen onderzoeksgroep te kunnen leiden, ons High-Energy Physics onderzoekscentrum. In die periode kan je voornamelijk als onderzoeksprofessor bezig zijn met maar weinig onderwijsverplichtingen. Daarnaast engageert de VUB zich dat je er de rest van je carrière als professor kan blijven werken. Hetgeen ik hier doe is dus een voltijdse baan voor de rest van mijn carrière, en dat is eerder zeldzaam in de academische wereld.
Zou het kunnen dat jij je toch nog ooit door het buitenland laat verleiden om aan een absolute topuniversiteit zoals die van Santa Barbara je onderzoek verder te zetten?
Ik wil op voorhand niets uitsluiten, maar ik heb gezien hoe het daar aan toe gaat. De druk om te presteren is in zo'n midden ongehoord groot, je moet dus altijd werken als een bezetene om altijd top te zijn. In dat geval is je werk je leven. Ondertussen heb ik een gezin, en daar ligt voor mij de prioriteit. Hier aan de VUB zit ik in een omgeving waar ik me heel goed voel, waar ik ook op hoog niveau onderzoek kan doen, en in Vlaanderen zitten we qua financiële ondersteuning van het wetenschappelijk onderzoek zeker in vergelijking met het buitenland behoorlijk goed. Bovendien is het CERN niet veraf, dus van bij ons altijd vlot en snel te bereiken.
Kan je kort schetsen waar het actuele standaardmodel vandaan komt?
In 1911 stelde Ernest Rutherford zijn atoommodel voor met een minuscuul kleine atoomkern waaromheen elektronen cirkelden en in 1919 slaagde Rutherford erin om het proton te identificeren. Het neutron werd pas in 1932 ontdekt, toen dacht men dat alle materie opgebouwd was uit slechts drie fundamentele bouwstenen: het proton, neutron en elektron.
Maar in de daaropvolgende decennia werden andere deeltjes ontdekt: het muon, pion, kaon, muon neutrino, enzovoort. En zo dreigde men weer terecht te komen in een onoverzichtelijke chaos van allemaal deeltjes waarbij niemand precies wist hoe die te interpreteren. Tot Murray Gell-Mann in 1964 met een heel nieuw idee op de proppen kwam, hij lanceerde het concept van quarks als elementaire deeltjes waaruit protonen, neutronen en ook nog andere deeltjes zijn opgebouwd. Eigenlijk deed hij wat Mendelejev honderd jaar daarvoor had gedaan met de chemische elementen, hij rangschikte namelijk alle deeltjes die hij kende in een schema al naargelang hun eigenschappen en hij ontdekte dat er symmetrieën inzaten. Door te werken met quarks kon hij bepalen welke deeltjes bij elkaar horen, en zo kwam hij tot een diagram waarin vakjes niet opgevuld waren, en dus kon hij voorspellen dat er daar een deeltje moest komen met die en die eigenschappen. En die werden later dan ook effectief gevonden. Van die tabel die men later het standaardmodel is gaan noemen waren in die tijd de quarks gekend en ook het elektron, het muon en het neutrino. Van de deeltjes die voor de wisselwerkingen tussen de materiedeeltjes zorgden, bosonen genaamd, was het foton goed beschreven aan de hand van de kwantumveldentheorie. Daar dit concept goed werkte voor het elektromagnetisme, voorspelde men ook krachtendeeltjes voor de sterke en zwakke kernkracht, namelijk het gluon en het W- en Z-boson. En om de materiedeeltjes massa te geven had het standaardmodel ook nog het Higgs-boson nodig. Het model had zo definitief vorm gekregen en in de loop van de jaren die volgden zouden de nog niet ontdekte maar voorspelde deeltjes een voor een ontdekt worden.
Krachten moeten we dan niet meer zien zoals Newton het formuleerde met zijn F = ma, maar veeleer als een soort wisselwerkingen, interacties tussen materiedeeltjes?
Het gaat inderdaad om interacties van deeltjes. Elke keer als ik als een deeltje invloed uitoefen op jou als een ander deeltje is er een uitwisseling van een deeltje, zo moet je het effectief zien.
En toen kwam op 4 juli 2012 de aankondiging van bij het CERN dat men het reeds lang gezochte Higgs-boson ontdekt had, in de pers sprak men zelfs over het ‘God Particle’.
De naam godsdeeltje is natuurlijk vergezocht en overdreven, het is taalgebruik dat men graag in de media hanteert, maar de ATLAS- en CMS-detectoren aan de LHC zijn er toen inderdaad voor het eerst in geslaagd om het voorspelde deeltje te ontwaren in hun data van de geregistreerde protonenbotsingen. Er waren heel wat theoretische argumenten en experimentele aanwijzingen die aantoonden dat het gezochte deeltje binnen bepaalde limieten moest liggen met een massa binnen een bereik van ongeveer 126 GeV. We wisten dus wel waar te zoeken, we wisten alleen niet exact hoe het er zou uitzien. Bij de waarnemingen met de ATLAS- en CMS-experimenten vonden we in de brokstukken ten gevolge van de protonenbotsingen sporen van een deeltje dat slechts een triljoenste van een seconde waarneembaar was, maar wel consistent met het door het standaardmodel voorspelde Higgs-boson, we hadden dus prijs!
Dat werd aan het CERN met veel enthousiasme gevierd, maar ook aan het Brusselse Interuniversitair Instituut voor Hoge Energiefysica, want twee van de geestelijke vaders van dit deeltje waren toentertijd professoren aan de ULB. In 1964 deden Robert Brout en François Englert immers een voorspelling over het bestaan van een mechanisme waarbij de elementaire deeltjes waaruit het universum is opgebouwd en die op zichzelf geen massa hebben zich in een veld van allemaal deeltjes bevinden – de Higgs-deeltjes – waarmee ze een wisselwerking aangaan en daardoor pas hun massa krijgen. Onafhankelijk van Brout en Englert stelde Peter Higgs in diezelfde periode een gelijkaardig theoretisch model voor. Daarom spreekt men in dit verband over het Brout-Englert-Higgs-mechanisme. Voor het boson zelf is het alleen de naam van Higgs die doorgaans vermeld wordt, jammer eigenlijk. Maar op 8 oktober 2013 volgde er wel erkenning voor François Englert, want die dag ontving hij samen met Peter Higgs de Nobelprijs voor fysica voor zijn theorie. Spijtig genoeg was Robert Brout toen al overleden.
Het was van in 1983 geleden dat men aan het CERN een elementair deeltje had ontdekt, dus dit was toch echt wel een buitengewone en unieke belevenis. Het ging bovendien om het laatste ontbrekende puzzelstukje in het standaardmodel. Maar we hopen natuurlijk dat er, eens de LHC heropgestart is, nog meer historie zal geschreven worden, want met het standaardmodel slagen we er in om slechts 4 % van al wat er in het heelal is te beschrijven, dat wil met andere woorden zeggen dat er nog 96 % onbekend terrein is met de huidige stand van de wetenschap.
Die 96 % is dan donkere materie en donkere energie, doet het bestaan daarvan geen afbreuk aan het succes van het standaardmodel?
Wees gerust, het standaardmodel werkt onwaarschijnlijk goed, we mogen gerust stellen dat het de meest succesvolle theorie is die er bestaat. Ze heeft inderdaad beperkingen, maar daarom is ze niet minder goed. Vergelijk het met de theorie van Newton, dat is ook een onwaarschijnlijk goede theorie want ze werkt fantastisch, maar toch heeft die theorie haar beperkingen: zodra je objecten laat bewegen met snelheden die de lichtsnelheid benaderen, moet je naar een andere theorie overstappen, met name de relativiteitstheorie. En dat is hetzelfde met het standaardmodel. Binnen het energiebereik van de LHC waarin wij onze experimenten kunnen doen werkt het fantastisch, maar in theorie kan je aantonen dat er bij hogere energieën een probleem optreedt. Hogere energieën betekent processen die zich afspelen op een nog veel kleinere schaal, het zijn dingen die normaal zijn in het functioneren van de kosmos en die in de omstandigheden in de buurt van de Big Bang de regel waren. Zelfs in onze eigen atmosfeer vinden er ten gevolge van de kosmische straling continu botsingen plaats waarbij hogere energieën gegenereerd worden dan wat wij kunnen realiseren met onze krachtigste deeltjesversnellers. Het probleem dat zich daarbij stelt is een diep wiskundig probleem, het gaat over het verschil in massa tussen de deeltjes in bepaalde configuraties waarbij het aanvoelt alsof er in die berekening iets is dat niet klopt, er is dus blijkbaar een onderliggend fenomeen waar we momenteel geen zicht op hebben.
Ook een probleem in het standaardmodel is dat er geen plaats is voor donkere materie. Nochtans is het bestaan daarvan de beste hypothese voor bepaalde waarnemingen die we doen in het waarneembare heelal. Zo observeren we gravitationele lenzen waarbij de ruimte aantoonbaar vervormd wordt, hetgeen enkel maar kan gebeuren door grote massaconcentraties, maar de massa zelf is totaal onzichtbaar. Bij sterrenstelsels zien we de sterren in de buitendelen sneller bewegen dan we volgens de bewegingswetten van Newton zouden verwachten, dat verschijnsel wordt verklaard door ervan uit te gaan dat er zich in die zones veel donkere materie moet bevinden. Er zijn voor die verschijnselen ook al alternatieve verklaringen voorgesteld zoals de gekende MOND-theorie die in bepaalde omstandigheden de dynamica van de klassieke mechanica aanpast – vandaar de naam: MOdified Newtonian Dynamics – maar geen verklaring werkt zo precies als die van het bestaan van donkere materie.
Wat ook niet meteen verklaarbaar is via het standaardmodel is het feit dat wij leven in een door materie gedomineerd heelal. Wat is er gebeurd met de antimaterie die bij de Big Bang ook moet gecreëerd zijn? In de allereerste fasen van het bestaan van het universum was er pure energie waaruit pas nadien bij het afkoelen deeltjes ontstaan, en dat zou altijd in paren moeten gebeuren, en bijgevolg zou er evenveel materie als antimaterie moeten zijn. Vanwaar die asymmetrie?
En dan is er natuurlijk nog het grote probleem van de zwaartekracht. Die vindt geen verklaring in het standaardmodel en toch hebben we ze absoluut nodig om het functioneren van de wereld rondom ons te kunnen beschrijven.
Op welke manier moeten we de zwaartekracht volgens jou interpreteren?
Het is veruit de zwakste kracht in de natuur. Men is geneigd om te denken dat de zwaartekracht een sterke kracht is, maar neem bijvoorbeeld een kop koffie en een balpen die zich hier op tafel dicht bij elkaar bevinden: je kunt totaal niet merken dat er tussen beide objecten een universele zwaartekracht werkzaam is. Als wij op Aarde de zwaartekracht zo sterk voelen, is dit omdat de bol waarop wij ons bevinden nu eenmaal zo gigantisch veel massa heeft in vergelijking met onze eigen massa, en niet omdat de zwaartekracht zo een sterke kracht is. En dat verschil in sterkte gaat over vele grootteordes, we spreken over 1036 keren zwakker dan de elektromagnetische kracht.
Maar kan het zijn dat zwaartekracht gewoonweg niet bestaat? Natuurkundige Erik Verlinde van de universiteit van Amsterdam beweert – als ik het ten minste goed begrijp – dat zwaartekracht louter een effect is ten gevolge van de entropie van de massa. Wat te denken van een dergelijke hypothese?
Er bestaan voor alle theorieën die wij hebben een heleboel denkbare alternatieven, maar daarom zijn die niet altijd even bruikbaar. Je mag ervan uitgaan dat de theorie die het meest geaccepteerd is, ook degene is die het beste werkt. Soms lees ik op fora beweringen waarin men stelt dat wetenschappers bepaalde hypothetische probleemstellingen maar blijven pushen om steeds meer geld te kringen voor hun onderzoek, dingen zoals donkere materie. Enkele maanden geleden nam ik in Luik deel aan een studiedag over donkere materie, en tijdens de uiteenzettingen ging het meermaals precies over het zoeken naar nieuwe benaderingswijzen om tot oplossingen te komen voor dat aanslepende mysterie. Er worden door wetenschappers wel degelijk geregeld alternatieve theorieën voorgesteld i.v.m. de zwaartekracht, maar het is nog steeds de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein die de meest overtuigende is, en die bovendien fantastisch werkt, denk maar aan de gps-toestellen die beroep doen om de algemene relativiteitstheorie om de ontvangen satellietdata bij te stellen.
Maar omdat met de theorie van Einstein nog niet alle kwesties i.v.m. de zwaartekracht kunnen verklaard worden, is het nog niet de ultieme theorie? Het is dus wachten op een nieuwe Einstein?
Dat klopt, en daarom ook is het nodig dat wetenschappers met nieuwe alternatieven blijven komen opdat we op een bepaald moment weer een grote stap vooruit zouden kunnen zetten in het wetenschappelijk onderzoek. We hadden het al eerder over MOND. Indien die theorie klopt, hebben we niet langer donkere materie nodig om een oplossing te bieden aan de vastgestelde anomalieën in de bestaande zwaartekrachtstheorie. Maar met MOND zijn er dan weer andere problemen, zodat het verhaal toch niet uitgeklaard raakt. En dus blijven we verder zoeken omdat er voorlopig nog een aantal schakels ontbreken om er een coherent geheel van te maken. En ook ideeën die op het eerste zicht niet goed blijken te werken, kunnen mogelijkerwijs toch tot positief evoluerende inzichten bijdragen.
En hoe kan men van alle ideeën die circuleren eruit filteren wat bruikbaar is en wat niet?
De wetenschap is een zichzelf organiserend systeem: wat goed is, zal automatisch komen bovendrijven. Want wat goed is, is ook waar andere wetenschappers verder in geïnteresseerd zijn en willen aan meewerken. Dat is ook het mooie aan wetenschap: je mag best fouten maken, je moet een keer dingen doen die niet werken, daar leer je uit, en dan ga je weer voort in de goede richting. En dat is vooruit.
Een deeltje dat vaak genoemd wordt als mogelijke kandidaat om donkere materie te kunnen verklaren is het neutralino. Waar moeten we dit neutralino situeren ten opzichte van het standaardmodel?
Het is een deeltje dat voorkomt in supersymmetrische modellen. Supersymmetrie is een elegant idee dat voorlopig alleen nog maar theoretisch goed functioneert, via experimentele weg zijn er nog geen aanwijzingen dat het om meer gaat dan alleen een goed idee. In supersymmetrie is aan ieder elementair deeltje uit het standaardmodel een zogenaamde symmetrische superpartner gekoppeld.
Het was net de bedoeling van het standaardmodel om met een minimum aan bouwstenen aan de slag te gaan, dreigen we dan niet door nieuwe deeltjes toe te voegen er opnieuw een complexe boel van te maken?
In 1928 voorspelde Dirac het bestaan van antimaterie, ook schijnbaar een verdubbeling van het aantal deeltjes. Dat zat hem helemaal niet lekker, maar het bleek wel onvermijdelijk nodig om de quantummechanica aan de speciale relativiteit te koppelen. En 4 jaar later ontdekte Anderson het positron, het anti-deeltje van het elektron. Zoals gezegd: het standaardmodel is zeker toereikend om de gekende materie en het gedrag daarvan te beschrijven, maar er blijven de eerder beschreven problemen, en dan kan het introduceren van supersymmetrie een bruikbare oplossing bieden.
En zelfs al lijkt een verdubbeling van het aantal deeltjes complex, het onderliggend principe zelf is bijzonder elegant. Aangezien het Standaard Model zo onwaarschijnlijk goed werkt, valt het ergens wel te verwachten dat antwoorden voor de nog onbeantwoorde vragen eerder in uitbreidingen van de theorie moeten gevonden worden. Het is allemaal goed doordacht en het gaat om finesses, maar die zijn nodig om ervoor te zorgen dat het proton niet vervalt, wat een mogelijk gevolg zou kunnen zijn als we extra deeltjes aan het model toevoegen.
In vele supersymmetrische modellen verkrijgen we zodoende een lichtste deeltje dat stabiel is, het neutralino. Er zijn ook alternatieve deeltjes denkbaar, maar het neutralino is een zeer geschikte kandidaat. Men spreekt in deze context al wel eens over het ‘WIMP Miracle’ – ook al hoor ik dat woord mirakel niet graag. WIMP staat voor ‘Weakly Interacting Massive Particle’. In de supersymmetrische theorie is het neutralino een dergelijk deeltje met een massa vergelijkbaar met die van het Higgsdeeltje. Dit neutralino blijkt nu net de juiste eigenschappen te bezitten en in de juiste massaschaal te passen om de gemeten hoeveelheid donkere materie in het heelal te verklaren.
En dan is er nog de snaartheorie als ultieme grond om het hele universum te beschrijven en meteen ook de brug te slaan tussen de kwantummechanica en de relativiteitstheorie, die is ook gebaseerd op supersymmetrie.
De snaartheorie is wel een delicaat onderwerp, nietwaar? Hoe kan men ooit bewijzen dat het meer is dan louter een theorie?
De Snaartheorie is zeker nog altijd het beste dat we in huis hebben met het oog op het opstellen van een theorie waarmee we alles zouden kunnen verklaren, de zogenaamde ‘Theory of Everything’. Om zicht te krijgen wat er zich op die allerkleinst denkbare schaal afspeelt, moeten we ermee rekening houden dat kleinere afstanden ook staan voor hogere energieën. Dus naarmate je bij steeds hogere energie observeert, kijk je ook dieper en dieper in de fundamentele aard van de materie. Vergelijk het met kijken doorheen een microscoop: met een gewone microscoop zien we heel kleine afstanden, maar als we met een röntgenmicroscoop werken, bereiken we nog veel kleiner afstandsschalen. En eens we gebruik maken van een elektronenmicroscoop kunnen we echt tot op het niveau van de atomen zelf waarnemen. Mochten we kunnen kijken met een microscoop die kan gaan tot het energieniveau van wat we de Planckschaal noemen – bij die energie is de zwaartekracht even sterk is als de andere krachten, dat is dan wat je zou kunnen noemen de kleinste schaal waarop we kunnen kijken. Wat er voorbij die grens is, daarover kunnen we niets zinvols zeggen. En het is op deze schaal dat men probeert om zuiver theoretisch de zwaartekracht kwantummechanisch te beschrijven, en in die theorieën wordt ook uitgegaan van de snaartheorie. Wij in onze benaderingswijze zien elementaire deeltjes als de fundamentele bouwstenen zonder onderliggende substructuren. Ze zijn elementair en dus beschouwen we ze als wiskundige punten – hoewel die notie natuurlijk wel kan leiden tot het idee van oneindigheid, maar soit. In de snaartheorie beschouwt men een deeltje niet als een puntdeeltje, maar als kleine koordjes of snaartjes die open of gesloten zijn en die trillen. Als men dit concept in al zijn complexiteit doordenkt en doorrekent, leidt het tot een nieuw soort fysica met enorm veel mogelijkheden en waarmee je heel wat dingen kunt beschrijven die met onze huidige modellen onbereikbaar zijn. En snaartheorie is onlosmakelijk verbonden met supersymmetrie. Maar zoals je zei, het blijft vooralsnog een mooie wiskundige theorie die we momenteel op geen enkele manier experimenteel kunnen testen en verifiëren. Dus is het wachten tot er ooit op een of andere manier iets gevonden wordt dat wel waarneembaar is en consistent met voorspellingen op basis van die theorie.
Maar het blijft natuurlijk altijd oppassen met dergelijke zaken. Een klein jaartje geleden was er opmerkelijk nieuws van op de Zuidpool, daar staat het BICEP-experiment opgesteld. BICEP staat voor Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, het betreft een kijker die in één enkele richting ver weg van het vlak van de Melkweg de kosmische achtergrondstraling observeert en daarin speurt naar sporen van polarisering. Mocht er in die reststraling van de Big Bang een dergelijke polarisering te vinden zijn, zou dat kunnen wijzen op een fase van inflatie meteen na de oerknal. Die inflatie vond volgens de theorie plaats van 10−36 seconden tot 10−33 à 10−32 seconden na de Big Bang, en in die onvoorstelbaar korte periode zou de ruimtetijd exponentieel snel geëxpandeerd zijn, veel sneller dan de lichtsnelheid. En op basis van dit model zouden we het universum dat wij waarnemen kunnen zien als misschien maar een klein deeltje van een veel groter universum. Er zijn intussen een aantal projecten geweest die de kosmische achtergrondstraling in detail bestudeerd hebben, van de COBE-satelliet via WMAP tot recent de Europese Plancksatelliet, er waren ook een aantal ballonexperimenten op de Zuidpool, en dankzij dat onderzoek kregen we zicht op een uniforme straling van net iets minder dan 3 kelvin die over de hele kosmische achtergrond terug te vinden is. In die straling werden minieme fluctuaties gedetecteerd die dateren van 380.000 jaar na het ontstaan van het heelal toen de temperatuur voldoende gedaald was om de eerste atomen te zien ontstaan. En daardoor konden de fotonen eindelijk vrij bewegen om het hele universum te doorkruisen. De informatie die in die achtergrondstraling vervat zit is cruciaal om te achterhalen hoe oud het heelal nu precies is, voor hoeveel procent het heelal uit gewone materie bestaat en voor hoeveel procent uit donkere materie en donkere energie. Voor al dat soort dingen werkt het model perfect. Als we daarnaast in de achtergrondstraling ook nog de polarisering kunnen meten zoals de bedoeling is met BICEP, zouden we kunnen aantonen dat er ten gevolge van de inflatiefase gravitationele golven zijn geweest die duidelijk hun sporen hebben nagelaten in die reststraling van de Big Bang. Dat is zo een voorbeeld van een voorspelling op basis van een theorie: als we effectief gravitationele golven zouden detecteren via deze polarisering van de achtergrondstraling hebben we de inflatietheorie observationeel geverifieerd en hebben we toegang tot een energieschaal die dieper gaat dan wat we momenteel hanteren in de deeltjesfysica en met onze LHC-deeltjesversneller in Genève. Maar zover zijn we nog niet, er werd op een gegeven moment gesuggereerd dat het experiment misschien een spoor van polarisering had gevonden, maar bij nader toezien bleek het veeleer om stof te gaan.
En zoals overigens blijkt uit hetgeen al gezegd werd: het energieniveau waarbinnen de snaartheorie zich situeert ligt heel ver verwijderd van datgene wat binnen het bereik valt van onze deeltjesversnellers.
En als we uitsluitsel willen krijgen over de donkere energie moeten we ook via die piste gaan zoeken?
Inderdaad, hetgeen wij doen als onderzoek is daar niet voor geschikt. Ik wil er kort wel iets over zeggen, maar het is niet mijn domein. Voor de kosmologie, dus de studie van de globale structuur en de evolutie van het heelal, bestaat er ook een standaardmodel, het zogenaamde Lambda-CDM Model. CDM staat voor Cold Dark Matter en Lambda is een kosmologische parameter die het mogelijk maakt dat het heelal steeds sneller expandeert. Aan de hand van dit model kan het bestaan en de structuur van de kosmische achtergrondstraling verklaard worden, maar ook hoe sterrenstelsels in grote structuren geclusterd zitten, hoe het heelal gekomen is aan de hoeveelheden waterstof, deuterium, helium en lithium die we erin ontdekt hebben, en hoe het heelal versnellend uitdijt, dit alles beginnend bij de Big Bang.
En om die uitdijing te kunnen situeren in het model werd Einsteins kosmologische constante heropgevist voor Lambda? Want zelf had hij die afgeschreven als zijnde zijn grootste blunder.
Correct, met die parameter kunnen we de versnellende uitdijing in rekening brengen, al hebben we voorlopig geen flauw idee waarom dat ook effectief gebeurt. De donkere energie blijft dus een groot mysterie, en dat is toch wezenlijk anders met het zoeken naar donkere materie. Donkere materie kunnen we immers verklaren met een of andere corpusculaire vorm. Je kent misschien wel afbeeldingen van de befaamde Bullet Cluster, waarbij twee clusters van sterrenstelsels door elkaar heen gevlogen zijn. Het gevolg van die kolossale botsing is duidelijk zichtbaar op foto: de gewone materie is door de vele interacties vertraagd terwijl de donkere materie als het ware ongehinderd doorgevlogen is, zodat we ze op die manier afgescheiden van de gewone materie kunnen waarnemen. Als we dit gegeven interpreteren komen we finaal tot de idee van donkere materie als een voorlopig nog onbekend deeltje. Donkere energie daarentegen kan je volgens mij niet als een deeltje interpreteren, maar ik verwijs voor een meer diepgaande uitleg graag door naar mijn collega’s kosmologen.
Om even terug te komen op het standaardmodel, er is nog een probleem waar we het nog niet over hadden, namelijk dat er in het standaardmodel voor de neutrino’s geen massa voorzien is, terwijl die wel degelijk massa hebben. We weten al sinds vijftien jaar experimenteel dat ze oscilleren, d.w.z. dat ze terwijl ze door het heelal bewegen van type veranderen: van elektron neutrino via muon neutrino naar tau neutrino en terug. Dus als ze ergens ontstaan en weggezonden worden als elektron neutrino kunnen ze ergens anders gedetecteerd worden als een van de twee andere varianten. En dat is alleen mogelijk als ze massa hebben. Bijgevolg weten we dat we onze theorie moeten uitbreiden, alleen weten we niet precies hoe. We hebben in dat verband misschien wel goede ideeën, maar die zijn moeilijk experimenteel te testen.
Het bedenken en uitwerken van experimenten om theoretische modellen te kunnen verifiëren is iets waar jij ook mee bezig bent, Steven?
Inderdaad, veel van de theorieën die voorgesteld worden om de problemen van het standaardmodel op te lossen hebben op een of andere manier iets te maken met de energieschaal en dus de massa van het Higgs-boson. En nu we er met de LHC-versneller relatief gemakkelijk in slagen dat deeltje te produceren, zitten we meteen ook in het energieregime waar we eventueel die extra gepostuleerde deeltjes zouden kunnen vinden. Die worden typisch voorspeld rond het energieniveau van het Higgs-boson of een beetje erboven. Bijgevolg worden het opnieuw superspannende tijden voor de hele wetenschappelijke staf aan het CERN en alle andere betrokkenen nu de LHC dezer dagen heropgestart wordt met een bijna dubbel zo hoog energiebereik als tot op heden mogelijk was.
Persoonlijk houd ik me bij de LHC bezig met de zoektocht naar donkere materie. We focussen ons daarbij op botsingen van twee protonen waarbij we twee donkere materie deeltjes produceren. Waarom twee? Omdat net als in de supersymmetrische theorie een stabiel lichtste deeltje typisch in paren moet worden gecreëerd. Op die manier is dat dus het zelf produceren van donkere materie met behulp van de versneller. De kunst bestaat er dan in om die deeltjes ook effectief te detecteren, want eens die ontstaan, zijn ze stabiel, interageren ze niet en vliegen weg van elkaar zonder dat je ze kan zien. En daarom gaan we in onze detector op zoek naar specifieke signaturen die in het normale gedrag van deeltjes volgens het standaardmodel haast niet voorkomen. Daarvoor kijken we naar de gevallen waarbij er vanaf het proton, voordat het interageert, iets wordt weggestuurd, bijvoorbeeld een gluon, wat aanleiding geeft tot iets waarvan we wel sporen zien in onze detector, en daarbij worden volgens de theorie twee donkere materiedeeltjes in een andere richting weggestuurd.
Daarnaast lopen er elders andere experimenten die complementair zijn aan wat er gebeurt in onze instrumenten en waarbij er via andere invalshoeken gezocht wordt naar donkere materie. Hier aan de VUB zijn we ook actief betrokken bij de reusachtige IceCube neutrinodetector op de Zuidpool. De donkere materiedeeltjes hebben veel massa en daarom is het best denkbaar dat ze accumuleren in het centrum van de Aarde of van de Zon. In die omgeving zitten ze dan zodanig dicht op elkaar geperst dat er daar waarschijnlijk voortdurend annihilaties van donkere materiedeeltjes plaatsvinden, waarbij allerlei nieuwe deeltjes gecreëerd worden. Als er verval is tot neutrino’s, kunnen we die rechtstreeks waarnemen. Het fijne bij neutrino’s is dat je recht naar de bron waar zij hun oorsprong vinden kan terugkijken. Een elektron wordt afgebogen in het magnetisch veld van de Aarde, een foton wordt geabsorbeerd door gas, maar neutrino’s vliegen daar allemaal los doorheen. En dat onderzoek is dus zeker een veelbelovende piste bij de zoektocht naar donkere materie.
Nog een andere piste in diezelfde zoektocht is het gebruikmaken van de Aarde zelf bij haar tocht doorheen een reusachtige halo van donkere materie die we rond ons sterrenstelsel veronderstellen. Die halo is stationair, terwijl wij met onze planeet en ons zonnestelsel bewegen aan ongeveer 200 km/s rond het centrum van ons sterrenstelsel. Vanuit ons standpunt bekeken vliegen wij zodoende door een wind van donkere materiedeeltjes die aan een snelheid van 200 km/s op ons afkomen. Dat gaat wel met enorm weinig energietransfer gepaard, het zijn immers zeer zachte botsingen, dus moeten de detectoren die we plaatsen om botsingen te krijgen met donkere materiedeeltjes typisch heel koud worden gemaakt zodat er heel weinig thermische activiteit is, en bovendien moeten ze ook maximaal worden afgeschermd tegen kosmische straling. En daarom worden zulke detectoren in diepe mijnen of onder een berg ergens in het midden van een tunnel gebouwd om sporen te vinden van dergelijke deeltjes die ons bereiken onder een constante hoek.
Momenteel is de zoektocht naar donkere materie een hot item aan de LHC, en door de interactie en complementariteit met de andere onderzoeksdomeinen die we net vermeld hebben, lukt het om de inzichten vanuit verschillende perspectieven samen te brengen en zo ontstaat er geleidelijk een globaler beeld over wat we ons kunnen voorstellen bij donkere materie. En dat is iets waar ik zelf als onderzoeker dezer dagen heel veel mee bezig ben.
Bij het Higgs-boson wist men ongeveer binnen welk energiebereik dat toen nog hypothetische deeltje kon verwacht worden bij de waarnemingen met de detectoren van de LHC, maar is de uitkomst niet veel onzekerder in het geval van de donkere materie? Want hoeven het per se massieve deeltjes te zijn? Is het onmogelijk dat het lichtere deeltjes zijn dan de veronderstelde WIMP’s?
Dat is niet uitgesloten, ook al lijkt het minder waarschijnlijk omdat heel lichte donkere materie in de modellen vaak problemen geeft bij het verklaren van de structuurvorming in ons universum.
We sluiten bij onze zoektocht zeker geen enkele piste uit. Door het feit dat we nu met onze versneller een sprong in energie gaan maken, krijgen we de mogelijkheid om zwaardere deeltjes te doen ontstaan, en dus zou het wel eens kunnen dat we vrij snel sporen detecteren die te maken hebben met de zo lang gezochte donkere materie. Vooraleer we zekerheid hebben, moeten we statistieken maken om een onderscheid te kunnen maken tussen gedetecteerde sporen die heel erg lijken op hetgeen we verwachten, maar die afkomstig zijn van een ander soort botsingen met andere vervalproducten en de sporen waar het ons echt om te doen is. Daarom is het noodzakelijk dat we alle achtergronden, de hele context en alle soorten botsingen en deeltjescreaties ten gronde begrijpen.
En resulteren die botsingen ook effectief in fenomenen die door jullie volledig begrepen worden?
Het klinkt misschien onwaarschijnlijk, maar wij begrijpen werkelijk quasi alles wat er op die beelden te zien is. Er zijn al wel dingen geobserveerd die niet verwacht waren, het gaat dan veelal om extra deeltjes die samenstellingen zijn van quarks in aangeslagen toestanden. Hoe kan dit? Simpelweg omdat het hele spectrum van al die uit quarks opgebouwde deeltjes die via energierijke botsingen kunnen gegenereerd worden niet compleet is, ze bestaan maar waren nooit eerder waargenomen in een versneller, en zo krijgen wij er af en toe eentje te zien. Dus absoluut onverwacht is zoiets niet.
Maar behalve dit soort bijverschijnselen kunnen we alles perfect voorspellen, en ook onze simulaties zijn uiterst performant. Wij begrijpen onze detector tot in het kleinste detail, alle elektronische componenten worden in rekening gebracht bij de waarnemingen, alle materialen waar de deeltjes op invliegen en waar signalen worden gegenereerd zitten in de simulaties vervat. En zo weten we exact welk aandeel van het signaal op conto van de detector moet geschreven worden. Het zou trouwens een uitdaging zijn mocht er een keer iets tussen zitten waar we onze tanden op stuk bijten, want dat zou betekenen dat we ofwel iets niet goed begrijpen in onze modellering, ofwel dat we een nieuw verschijnsel gedetecteerd hebben.
Misschien mogen we ons binnenkort opnieuw aan groot nieuws verwachten van bij het CERN? Wellicht kunnen we binnen enkele jaren de supersymmetrische deeltjes gewoon in een nieuw standaardmodel zien pronken?
We moeten natuurlijk eerst zien of de heropgestarte LHC de resultaten oplevert die we ervan verwachten. Het ontrafelen van de wereld van de supersymmetrische deeltjes zal alleszins heel boeiend zijn mochten we daar ooit in slagen. Het zullen qua massa alleszins niet zomaar gewone tegenhangers zijn van de deeltjes uit ons standaardmodel.
De quarks hebben supersymmetrische partners, die noemen we de squarks, de partner van het gluon noemen we gluino, enzovoort. De quarks zijn gevoelig voor de sterke kernkracht die door het gluon wordt overgedragen, en als we protonen – twee up en één down quark vormen samen een proton – met de LHC doen botsen, zijn er ook gluonen in het spel. Bijgevolg is er een hoge waarschijnlijkheid dat de overeenkomende supersymmetrische deeltjes daar ook geproduceerd worden, en meteen kunnen we ook al een heel energiebereik uitsluiten waar die deeltjes kunnen voorkomen: lage massa’s zijn niet meer mogelijk, voor dat gluino bijvoorbeeld hebben we al limieten bereikt tot tien keer de Higgs boson massa. Over dit soort deeltjes gaan we zeker meer aan de weet komen eens de LHC opnieuw van start is gegaan met veel meer vermogen dan voorheen. Wat betreft de supersymmetrische partners van het elektron, muon, tau of Higgs-boson, die zijn niet gevoelig voor de sterke kernkrachtlading. Met als gevolg dat die in de LHC zwak gaan interageren, en dus minder waarschijnlijk geproduceerd worden. Het neutralino is ook zo een geval, mogelijk heeft dit supersymmetrische deeltje dezelfde massa als het Higgs-boson, het kan ook minder zijn, maakt niet meteen veel uit, maar als we het willen detecteren zullen we vooral veel data moeten genereren. En de vernieuwde LHC is ook daarvoor uitstekend geschikt: er gaat niet alleen een reusachtige sprong vooruit gemaakt worden wat betreft het energiebereik, maar ook het aantal geregistreerde botsingen gaat enorm toenemen. Het doel is de komende die jaar tot vijf maal zoveel proton-proton botsingen te creëren als voorheen, in totaal 1016 of in mensentaal 10 miljoen miljard.
Net zoals jullie, betrokken onderzoekers, kijken ook wij, geïnteresseerde buitenstaanders, vol blijde verwachting uit naar de eerste resultaten vanuit Genève. Veel succes met jouw onderzoek, Steven, en hartelijke dank voor het zeer boeiende gesprek.