Deeltjesfysica: op zoek naar de kleinste bouwstenen van het universum
Deeltjesfysica is het vakgebied binnen de natuurkunde dat onderzoekt waaruit alle materie in het heelal uiteindelijk is opgebouwd, en welke krachten die bouwstenen bij elkaar houden of juist uit elkaar drijven. Het gaat niet om atomen — die zijn voor deeltjesfysici al behoorlijk groot — maar om de deeltjes daarbinnen, zoals quarks en elektronen, die voor zover we weten niet verder op te delen zijn. Je kunt het vergelijken met iemand die een horloge openschroeft om te zien welke tandwieltjes erin zitten, behalve dat deeltjesfysici geen schroevendraaier gebruiken, maar twee deeltjes op bijna de lichtsnelheid tegen elkaar laten botsen om te zien wat daarbij vrijkomt.
Die botsingen vinden plaats in deeltjesversnellers, enorme machines die soms kilometers lang zijn, zoals de Large Hadron Collider (LHC) bij het Europese onderzoekscentrum CERN in Zwitserland. Door de energie van die botsingen heel precies te meten, kunnen onderzoekers als het ware momentopnames maken van hoe het universum eruitzag vlak na de oerknal, toen alles nog extreem heet en dicht opeengepakt was. Deeltjesfysica probeert dus niet alleen te zeggen waar de wereld uit bestaat, maar ook te verklaren hoe die wereld is ontstaan.
Wat is het precies?
Alle bekende materie is opgebouwd uit atomen, en atomen bestaan uit een kern van protonen en neutronen, omringd door elektronen. Lange tijd dachten natuurkundigen dat protonen en neutronen de kleinste bouwstenen waren, maar in de jaren zestig bleek dat ook zij weer zijn opgebouwd uit nog kleinere deeltjes: quarks. Elektronen behoren tot een andere familie, de leptonen, en zijn voor zover bekend wél echt ondeelbaar.
Al deze bouwstenen en de krachten die ze beïnvloeden, zijn samengevat in het zogeheten Standaardmodel van de deeltjesfysica, een soort periodiek systeem voor subatomaire deeltjes. Het Standaardmodel kent zes soorten quarks, zes leptonen, en een aantal zogeheten krachtdeeltjes (bosonen) die de fundamentele natuurkrachten overbrengen: het foton voor elektromagnetisme, gluonen voor de sterke kernkracht die quarks bij elkaar houdt, en W- en Z-bosonen voor de zwakke kernkracht die bijvoorbeeld radioactief verval veroorzaakt. Een vierde fundamentele kracht, de zwaartekracht, past tot op heden niet in dit model.
In 2012 werd hier een cruciaal deeltje aan toegevoegd: het higgsboson, dat verklaart waarom andere deeltjes massa hebben. Om dit soort deeltjes te vinden, versnellen onderzoekers protonen in een ringvormige buis — bij de LHC is dat een ring van 27 kilometer lang, 100 meter onder de grond — tot bijna de lichtsnelheid, waarna ze op specifieke plekken frontaal op elkaar worden gebotst. Rond die botsingspunten staan detectoren zo groot als gebouwen, zoals ATLAS en CMS, die miljoenen botsingen per seconde registreren. Supercomputers filteren daaruit de handvol gebeurtenissen die werkelijk interessant zijn.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel van deeltjesfysica is simpel te formuleren, maar ongelooflijk moeilijk te bereiken: een compleet en kloppend beeld krijgen van de fundamentele bouwstenen van de natuur en de regels waaraan ze zich houden. Dat klinkt abstract, maar het raakt aan heel concrete vragen. Waarom heeft materie massa? Waarom bestaat er meer materie dan antimaterie in het heelal, terwijl de oerknal in theorie evenveel van beide zou hebben moeten maken? En waaruit bestaat de mysterieuze donkere materie, die volgens astronomische waarnemingen samen met donkere energie zo'n 95 procent van het heelal uitmaakt, terwijl alle bekende deeltjes uit het Standaardmodel samen maar zo'n 5 procent verklaren?
Daarnaast hopen natuurkundigen op termijn de vier fundamentele krachten — zwaartekracht, elektromagnetisme, de sterke en de zwakke kernkracht — in één samenhangende theorie te vangen, vaak aangeduid als een 'theorie van alles'. Dat is voorlopig nog toekomstmuziek. Los van dit fundamentele kennisdoel heeft het vakgebied ook concrete bijvangsten opgeleverd: technieken uit de deeltjesfysica worden gebruikt in medische beeldvorming en kankerbehandeling met protonentherapie, en het World Wide Web werd in 1989 bedacht door Tim Berners-Lee als hulpmiddel om onderzoeksdata bij CERN te delen.
Voorbeelden uit de praktijk
De bekendste mijlpaal is de ontdekking van het higgsboson in 2012 door de ATLAS- en CMS-experimenten aan de LHC bij CERN, na decennia van voorspelling en zoeken. De twee natuurkundigen die het bestaan van dit deeltje in 1964 theoretisch hadden voorspeld, François Englert en Peter Higgs, ontvingen hiervoor in 2013 de Nobelprijs voor Natuurkunde.
Een ander voorbeeld is het Super-Kamiokande-experiment in Japan, een enorme ondergrondse tank met 50.000 ton water die neutrino's detecteert — bijna massaloze deeltjes die dwars door gewone materie heen vliegen. Metingen hieraan toonden aan dat neutrino's van de ene soort in de andere kunnen veranderen, wat betekent dat ze toch een heel klein beetje massa moeten hebben; dit leverde onderzoeker Takaaki Kajita in 2015 een Nobelprijs op.
Bij het Japanse onderzoekscentrum KEK loopt sinds 2018 het Belle II-experiment, dat heel precies het gedrag van zogeheten B-mesonen bestudeert om de asymmetrie tussen materie en antimaterie beter te begrijpen. In de Verenigde Staten ontdekte het Tevatron-versneller van Fermilab in 1995 het topquark, het zwaarste bekende quark. En onder het ijs van de Zuidpool meet de IceCube-detector sinds 2010 hoogenergetische neutrino's die van buiten ons zonnestelsel komen, wat deeltjesfysica verbindt met sterrenkunde.
Hoe ver is de techniek?
Het Standaardmodel is op dit moment de best geteste theorie in de natuurkunde: vrijwel elke voorspelling die eruit volgt, is in experimenten bevestigd, tot en met het higgsboson in 2012. Tegelijk is iedereen in het veld het erover eens dat het geen compleet verhaal is, simpelweg omdat het donkere materie, donkere energie en zwaartekracht niet verklaart.
Na de ontdekking van het higgsboson hoopten veel natuurkundigen op nieuwe, onvoorspelde deeltjes die zouden wijzen op 'nieuwe fysica' voorbij het Standaardmodel, bijvoorbeeld via een theorie genaamd supersymmetrie. Tot nu toe is daar bij de LHC geen overtuigend bewijs voor gevonden, wat voor sommige onderzoekers een teleurstelling is en voor anderen reden om bestaande aannames te herzien. Dit is een eerlijke onzekerheid in het veld: niemand kan garanderen dat hogere botsingsenergieën automatisch nieuwe ontdekkingen opleveren.
De LHC wordt momenteel omgebouwd tot de High-Luminosity LHC, die vanaf ongeveer 2030 veel meer botsingen per seconde moet genereren om zeldzame processen beter zichtbaar te maken. Voor de langere termijn overweegt CERN de bouw van de Future Circular Collider (FCC), een opvolger met een ring van circa 90 tot 100 kilometer; een definitief besluit hierover wordt in de tweede helft van de jaren 2020 verwacht, en de eventuele bouw en ingebruikname zouden zich over decennia uitstrekken. Ook Japan (International Linear Collider) en China (Circular Electron Positron Collider) hebben vergelijkbare plannen liggen, maar financiering en definitieve goedkeuring zijn voor geen van deze projecten rond.
Wie werken eraan?
Het grootste centrum voor deeltjesfysica ter wereld is CERN bij Genève, een samenwerkingsverband van 24 lidstaten, met duizenden wetenschappers uit meer dan honderd landen die meewerken aan experimenten zoals ATLAS, CMS, LHCb en ALICE. In de Verenigde Staten is Fermilab bij Chicago het belangrijkste nationale laboratorium, samen met het Brookhaven National Laboratory op Long Island, dat onder meer de RHIC-versneller beheert.
In Japan speelt het KEK-laboratorium een vergelijkbare rol, met onder meer het Belle II-experiment en Super-Kamiokande. Duitsland heeft met DESY in Hamburg een belangrijk instituut, en in Nederland coördineert Nikhef (het Nationaal instituut voor subatomaire fysica) in Amsterdam de Nederlandse bijdrage aan CERN-experimenten, in samenwerking met universiteiten zoals die van Amsterdam, Nijmegen en Utrecht. Ook China bouwt zijn rol uit via het Institute of High Energy Physics (IHEP), onder meer met het oog op een eigen toekomstige grote versneller.