Het Standaardmodel

Vlak buiten Genève, op de grens van Zwitserland en Frankrijk ligt 's werelds grootste wetenschappelijke experiment. Bijna honderd meter onder de grond bevindt zich een zevenentwintig kilometer lange tunnel met daarin de Large Hadron Collider, de deeltjesversneller van CERN. Aan het experiment werken 10.000 mensen van 500 instituten uit 50 verschillende landen mee. De rede achter deze zeer omvangrijke en ietwat surrealistische activiteit tientallen meters onder de grond, is een vraag die de mensheid al millennia lang bezig houdt: Waar zijn we van gemaakt? De term atoom stamt al uit de tijd van de oude Grieken. Het komt van atomos, wat ondeelbaar betekent.

Als we naar de dingen om ons heen kijken is het een heel logische vraag; een huis is gemaakt van bakstenen, een stoel van stukken hout, een boek van papier, enzovoorts. Maar deze bouwstenen zijn natuurlijk niet ondeelbaar. Ze zijn elk opgebouwd uit verschillende soorten moleculen, en ook die hebben weer hun eigen bouwstenen, atomen geheten. Die naam is echter misleidend, want atomen zijn niet ondeelbaar. Ze bestaan uit een kern met daaromheen elektronen. Bovendien bestaat die kern weer uit protonen en neutronen. Een tijd lang dacht men dat het hier ophield, dat het onmogelijk was om protonen, neutronen en elektronen nog verder op te delen. Met andere woorden men dacht dat dit de elementaire deeltjes waren, waaruit alle materie die we om ons heen zien, is opgebouwd. Hierbij moet worden opgemerkt dat we inmiddels zo ver hebben ingezoomd, dat deze bouwstenen quantum deeltjes zijn. Quantum deeltjes hebben zeer bijzondere eigenschappen die beschreven zijn in het betacanon artikel quantum (referentie).

Gedeeltelijk is dit beeld nog steeds in tact. De materie die wij om ons heen zien is inderdaad opgebouwd uit deze drie deeltjes. Alleen weten we tegenwoordig dat het proton en het neutron geen elementaire deeltjes zijn. Ze bestaan uit nog kleinere deeltjes, de quarks. Maar dat is nog niet alles, in de tweede helft van de vorige eeuw hebben we ontdekt dat er een heel scala aan elementaire deeltjes bestaat. Vele van deze deeltjes zijn zo exotisch dat ze niet vrij in de natuur voorkomen en slechts luttele fracties van een seconde kunnen bestaan, voor ze via allerlei gecompliceerde processen overgaan in energie en meer stabiele deeltjes, zoals het elektron, proton en neutron. Al deze quantum deeltjes en hun eigenschappen worden beschreven door één van de mooiste natuurkundige theorieën die we hebben, het standaardmodel.

Om te kunnen begrijpen hoe deze micro-wereld werkt, moeten we ons richten op een ander fundament van de natuur. Naast de materie die we om ons heen zien, zijn er de krachten waaraan deze materie is onderworpen. Twee van deze krachten kennen we allemaal, we hebben er dagelijks mee te maken, de zwaartekracht en de elektromagnetische kracht. Zwaartekracht voel je als je massa hebt en de elektromagnetische kracht voel je als je elektrische lading hebt. Er zijn echter nog twee krachten die veel minder bekendheid genieten, de zogenaamde zwakke en sterke kracht. De zwakke kracht speelt een belangrijke rol bij radioactiviteit en de sterke kracht zorgt ervoor dat de quarks samen klonteren tot protonen en neutronen. Deze vier natuurkrachten zijn eigenlijk het cement dat de elementaire bouwstenen verbindt.

Net zoals wij in het dagelijkse leven mensen onderscheiden door hun verschillende eigenschappen, zo kunnen we ook de elementaire deeltjes onderscheiden. En de eigenschappen die we daarvoor gebruiken, zijn de eigenschappen die ons vertellen welke krachten ze voelen, zoals massa en elektrische lading. Maar ook de eigenschappen die ons vertellen hoezeer een deeltje de zwakke en sterke kracht voelt, respectievelijk aangeduid met de abstracte begrippen isospin en kleur. De laatste is natuurlijk niet een echte kleur, zoals wij die kennen, maar we noemen het zo om ons er iets bij voor te kunnen stellen. Met deze vier eigenschappen ontstaat er een enorme diversiteit aan deeltjes. Het is dan ook een wetenschappelijk hoogtepunt dat men erin is geslaagd om het effect van drie van de vier natuurkrachten, de elektromagnetische, de zwakke en de sterke kracht, te combineren in één theoretisch bouwwerk, het standaardmodel. Dit model beschrijft precies hoe al die verschillende deeltjes zich onder invloed van deze drie krachten gedragen.

Het standaardmodel vertelt ons niet wat het effect van zwaartekracht op de elementaire deeltjes is. De eerste reden hiervoor is dat de zwaartekracht nauwelijks een rol speelt in de wereld van de elementaire deeltjes. Het is op die schaal een heel zwakke kracht, de elementaire deeltjes hebben nauwelijks massa en voelen de zwaartekracht dus vrijwel niet, zeker niet vergeleken met de andere drie krachten. De tweede reden is dat het natuurkundigen tot nu toe niet gelukt is om de zwaartekracht op dezelfde wiskundige manier te beschrijven als de andere drie krachten.

Het belangrijkste ingrediënt in het standaardmodel dat orde schept in de enorme diversiteit in elementaire deeltjes is het abstracte begrip symmetrie. Symmetrie kan je je het beste voorstellen als de eigenschap die je hebt als je er van veel verschillende kanten hetzelfde uit ziet. Vergelijk bijvoorbeeld een bol, die zeer symmetrisch is met een aardappel. In de beschrijving van de natuur speelt symmetrie een heel belangrijke rol. Het beschrijven van een bol is makkelijker dan een aardappel. We hoeven de eerste slechts vanuit één hoek te beschrijven, omdat hij er vanuit alle andere hoeken hetzelfde uitziet. Bij een bol en een aardappel is dit verschil misschien niet zo belangrijk, omdat we ons van beiden gemakkelijk een voorstelling kunnen maken. Maar er zijn verschillende soorten symmetrie, velen abstracter dan de ruimtelijke symmetrie van de bol. Door gebruik te maken van symmetrie is het mogelijk om zeer gecompliceerde processen, zoals het effect van de sterke kracht op een deeltje met kleur, te vatten in formules. Ook stelt het ons in staat om er een voorstelling van te maken en er de schoonheid van in te zien, zoals we ook een bol mooier vinden dan een aardappel.

De drie krachten die in het standaardmodel samenkomen, kunnen worden beschreven aan de hand van drie abstracte symmetrieën. De twee Nederlandse natuurkundigen, 't Hooft en Veltman, kregen de Nobelprijs voor hun bijdrage aan het beschrijven van de zwakke kracht aan de hand van symmetrie. Zoals gezegd is het nog niet gelukt om zwaartekracht met zo'n symmetrie te beschrijven. Dus hoe mooi het standaardmodel ook is, we weten dat er meer is, het moet mogelijk zijn om de zwaartekracht te temmen opdat we alle fundamentele natuurkrachten in één theorie kunnen samenvoegen. Een poging tot het temmen van de zwaartekracht is de zogenaamde snaartheorie (wellicht een hoofdstuk in het betacanon van 2050).

Voordat natuurkundigen het standaardmodel goed en wel op tafel hadden, is er een enorme hoeveelheid werk verzet. Hierbij speelde de samenwerking tussen theoretisch en experimentele fysici een grote rol. Het is een enorme uitdaging om een kijkje te nemen in de wereld van de elementaire deeltjes. Ze zijn niet alleen verschrikkelijk klein, maar ook erg instabiel, dat wil zeggen dat ze maar heel kort bestaan. Om deze deeltjes toch te kunnen zien, gebruiken we deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider (LHC) op CERN. Hierin worden gewone deeltjes (bijvoorbeeld elektronen of protonen) door middel van magneetvelden versneld en met snelheden dicht bij de lichtsnelheid op elkaar geknald. Op het moment van zo'n botsing, is er zoveel energie beschikbaar dat die meer exotische deeltjes heel even kunnen bestaan. Met enorme detectoren (met afmetingen vergelijkbaar met die van een bescheiden kathedraal) probeert men vervolgens op allerlei zeer ingenieuze wijzen de eigenschappen van de deeltjes, die heel even hebben bestaan, te reconstrueren. Dit zijn weer precies die eigenschappen waar we het al eerder over hadden; massa, lading, isospin en kleur. Bij dit soort experimenten wordt een ongelooflijke hoeveelheid data gegenereerd. Om al die data te kunnen verwerken is rond 1990 het wereld wijde web op CERN ontwikkeld.

Eén van de mooiste resultaten die op CERN behaald is met een deeltjesversneller, is de detectie van twee deeltjes die door het standaardmodel voorspeld waren. In 1984 ontving de Nederlander Simon van der Meer samen met Carlo Rubbia de Nobelprijs voor zijn bijdrage aan de detectie van deze deeltjes.

Op dit moment wordt er op CERN hard gewerkt aan de laatste loodjes voordat de nieuwste deeltjesversneller LHC in september van dit jaar wordt aangezet. LHC is gebouwd om een paar prangende open vragen binnen het standaardmodel te beantwoorden. Allereerst hoopt men het Higgs deeltje te detecteren, dit is het enige deeltje dat door het standaardmodel voorspeld wordt, maar nog niet gezien is. Het Higgs deeltje moet uitleggen waarom de elementaire deeltjes een massa hebben, en in het bijzonder waarom sommige deeltjes zo licht en andere zo verschrikkelijk zwaar zijn. Een andere open vraag hangt hier nauw mee samen. Dit is de vraag of er wellicht twee keer zoveel deeltjes zijn; voor elk deeltje dat we kennen nog een zogenaamde superpartner. Deze superpartners zijn bedacht om de massa van het Higgs deeltje te kunnen begrijpen. Bovendien zijn deze superpartners een kandidaat voor donkere materie, de ontbrekende massa in het heelal die we niet zien, maar die er wel zou moeten zijn om de beweging van melkwegstelsels en andere hemellichamen te kunnen begrijpen. Tenslotte is de eerder genoemde snaartheorie, die de zwaartekracht en het standaardmodel tracht samen te voegen, geconstrueerd op de aanname dat deze superpartners bestaan. Maar men hoopt natuurlijk niet alleen het voorspelde en gewenste te detecteren. Misschien is het wel leuker als er iets ontdekt wordt dat niemand had verwacht.

Hoewel haar naam het niet doet vermoeden, is het standaardmodel een schitterende beschrijving van een zeer exotische wereld, waarvan we het bestaan niet hadden durven dromen, als deze niet in de afgelopen vijftig jaar door de samenwerking van vele duizenden natuurkundigen van over de hele wereld, beetje bij beetje was blootgelegd. En wie weet wat voor fantastisch de natuur nog meer voor ons in petto heeft?

geschreven door Liza Huijse op 14-05-2007