Bij alle verlokkelijk exact ogende formules waarin natuurkundigen de wetten van de werkelijkheid optekenen, is er ook nog veel dat zij niet weten. Deze vier opmerkelijke onderzoeksresultaten kunnen dat oplossen. Althans: als ze standhouden.
Driehonderd jaar nadat de Britse natuurkundige Isaac Newton de wetten had opgetekend die beschrijven hoe appels naar de grond vallen en hoe biljartballen op elkaar botsen, weten natuurkundigen vast alles wel. Toch? Nou... nee.
Natuurlijk, fysici boekten de afgelopen jaren het ene na het andere succes. Ze vingen het gedrag van elementaire deeltjes – de bouwsteentjes waaruit alles van cellen tot wolkenkrabbers bestaat – in handzame wiskundige wetten en ontdekten zaken die het menselijk voorstellingsvermogen te boven gaan. Van bits die nul en één tegelijk kunnen zijn, tot de trillingen van ruimte en tijd die ontstaan wanneer twee zware voorwerpen diep in de kosmos op elkaar klappen. Ze kunnen zelfs redelijk voorspellen hoe het heelal over vele miljarden jaren aan zijn eind zal komen.
Dat is natuurlijk geweldig. Maar wie zonder hoogmoed of sentiment naar onze kennis kijkt, concludeert al snel dat we desondanks verdraaid weinig van de werkelijkheid begrijpen. Om slechts één probleem te noemen: niemand snapt nog hoe de zwaartekracht – de kracht die de appel van Newton naar de grond trok – werkt op de allerkleinste schaal. Er zijn op papier wel ideeën, maar die zijn nog altijd niet bewezen.
Dat is overigens niet vreemd. Wie jacht maakt op de ware wetten van de werkelijkheid, speelt een spelletje kosmisch Cluedo waarbij soms zelfs de spelregels in nevelen gehuld zijn. Slechts een ding is zeker: wie álles wil snappen, heeft behoefte aan nieuwe natuurwetten. Aan inzichten die ons nu nog ontsnappen.
Daarom veren fysici op wanneer ze onderzoeksresultaten voorgeschoteld krijgen die we met onze huidige kennis niet kunnen verklaren. Zo ook bij deze vier recente resultaten, die – als ze standhouden – ons begrip van de wereld fundamenteel op z’n kop kunnen zetten.
1. De twee spookachtige deeltjes die onmogelijk veel energie hebben
Boem, knal, paf. Toen de wetenschappelijke ballon Anita in 2006, en later in 2014, boven het ijskoude oppervlak van Antarctica bungelde, zag hij iets voorbij vliegen dat grofweg net zoveel energie had als een tennisbal geserveerd door een professionele speler. Alleen zat die energie in dit geval niet in een bal, maar opgepropt in een minuscuul deeltje: een zogeheten neutrino, een spookachtig ding dat technisch gesproken niet eens een afmeting heeft.
‘Voor neutrino’s hadden ze extreem veel energie’, zegt neutrino-onderzoeker Daan van Eijk, verbonden aan natuurkunde-instituut Nikhef. En dan kwamen ze ook nog eens van onderen, zo bleek. De neutrino’s zijn vanuit het heelal dus eerst door de aarde geschoten. Opmerkelijk, want hoewel neutrino's op papier geen afmeting hebben, kunnen ze wel degelijk op iets botsen. En hoe hoger de energie, hoe groter die kans. ‘Ze hadden in de aarde daarom eigenlijk ergens op moeten knallen’, zegt Van Eijk.
Reden genoeg voor fysici verbonden aan neutrinodetector IceCube om het maffe resultaat nog eens tegen het licht te houden. In een artikel dat in januari verscheen op de wetenschappelijke voorpublicatiesite Arxiv is hun conclusie helder: gegeven wat we weten van natuurkunde, is en blijft de meting van Anita absoluut onmogelijk.
‘Er zijn eigenlijk maar twee opties over’, zegt Van Eijk. ‘Of deze deeltjes bewijzen dat de natuur zich gedraagt op een manier die we nog niet snappen. Of er gaat iets mis bij de meting of analyse.’ Dat laatste is volgens hem het waarschijnlijkst. De conclusie dat de deeltjes van onder kwamen, blijkt bijvoorbeeld gebaseerd op lastige onderliggende aannamen waar best een fout in kan zitten.
Voorlopig wachten fysici op de volgende vlucht van de ballon, met verbeterde instrumenten. Mocht men dan weer zo’n gek deeltje meten, dan moeten ze terug naar de tekentafel. ‘Maar nu is het nog te vroeg om op basis van alleen deze twee metingen ons hele begrip van de deeltjesfysica overhoop te gooien.’
2. De Hongaarse fysici die een ‘volledig onbekende vijfde natuurkracht’ vonden
De wereld van natuurkrachten is overzichtelijk. Fysici kennen er vier: de zwaartekracht, die ervoor zorgt dat u (meestal) op het aardoppervlak blijft plakken. De sterke kernkracht, die de kernen van atomen bij elkaar houdt. De zwakke kernkracht, die onder meer een vorm van radioactiviteit veroorzaakt. En de elektromagnetische kracht, die de aantrekking tussen geladen deeltjes regelt. Klaar, uit.
Maar wat nu als er een vijfde natuurkracht bestaat? Eentje die de voltallige natuurkunde al jaren over het hoofd ziet? Dat bizarre idee opperde een groep Hongaarse fysici in 2015, toen ze in het vakblad Physical Review Letters bewijs opvoerden voor het bestaan van een nieuw deeltje - werktitel: X17.
Toen zogeheten beryllium-atomen in hun experiment onderdelen afschoten, zagen de fysici die deeltjes onder een onverwachte hoek wegschieten, alsof een biljartbal na het afstoten ineens een heel ander pad volgt dan verwacht. Dat gedrag konden ze alleen verklaren met behulp van het nieuwe deeltje, en een bijbehorende, nog onbekende natuurkracht. Vorig jaar deden ze er nog een schepje bovenop, toen ze nieuw bewijs opvoerden voor het bestaan van zo’n deeltje. Als ze gelijk hebben, kan hun resultaat de natuurkunde volledig op zijn kop zetten.
Andere experimenten, zoals de deeltjesversneller bij onderzoeksinstituut Cern, vonden tot nog toe geen enkel spoor van die mysterieuze X17. Het Hongaarse resultaat veroorzaakte niettemin zoveel reuring, dat het Nederlandse natuurkunde-instituut Nikhef vorig jaar toch maar een bericht publiceerde waarin men benadrukt dat het bestaan van het deeltje niet erg waarschijnlijk is. ‘De Hongaarse groep heeft een geschiedenis van ingetrokken claims op het gebied van vreemd atoomverval, die bij nader inzien statistische missers bleken’, schrijft het instituut. Het experiment roept zelfs ‘zoveel vragen op dat sommigen zich afvragen waarom een topblad als Physical Review Letters de resultaten publiceert’.
Toch gooien fysici de handdoek nog niet in de ring. Zo blijft men bij Cern ondanks alle twijfels nadrukkelijk zoeken naar het mysterieuze nieuwe deeltje. In een persverklaring schrijft het instituut dat hun LHCb-experiment rond 2023 definitief uitsluitsel zal geven over het bestaan van het deeltje en de bijbehorende mysterieuze vijfde natuurkracht.
3. De mysterieuze resultaten van ’s werelds grootste deeltjesversneller
En dan zijn er nog de mysterieuze resultaten van onderzoeksinstituut Cern zélf, waar deeltjesversneller Large Hadron Collider (LHC) op het punt lijkt te staan om een ander onverwacht deeltje uit de hoge hoed te toveren.
De LHC verwierf wereldfaam toen het in 2012 het higgsdeeltje vond. Dat deeltje geeft andere deeltjes massa en is het laatste ontbrekende puzzelstukje in de huidige wiskundige beschrijving van de deeltjeswereld. Sindsdien richten experimenten hun vizier ook nadrukkelijk op nieuwe natuurkunde, die niet in dat model past. Dat leverde tot nog toe officieel niets op, al zingt onder medewerkers van het instituut al jaren een resultaat rond dat luistert naar de esoterische naam ‘lepton non-universality’. Een ingewikkelde manier om te zeggen dat leptonen, de verzamelnaam voor deeltjes zoals elektronen en neutrino’s, in experimenten met de versneller niet altijd lijken te doen wat het model voorspelt.
Dat maffe gedrag dook de afgelopen jaren geregeld op bij drie deeltjesbotsprocessen die het met de versneller verbonden LHCb-experiment in de gaten hield. Ook in de analyse van de recentste botsingsgegevens, die deze week op Cern werden gepresenteerd, werd de afwijking weer gezien.
‘Alles lijkt dezelfde richting op te wijzen’, zegt fysicus Niels Tuning, verbonden aan LHCb. ‘Je kunt de resultaten het best verklaren met een nieuw deeltje.’ Dat deeltje heeft al een naam – de leptoquark, doopten fysici het – maar komt in het standaardmodel niet voor.
Het is te vroeg om dat leptoquark nu al een plekje te geven in de uitgebreide deeltjesdierentuin, benadrukt Tuning. De kans dat de metingen niets meer zijn dan toeval, is nog te groot, grofweg een op enkele honderden. Bij Cern spreekt men pas van een ontdekking als die kans is gedaald tot een op drieënhalf miljoen.
Maar áls zo’n deeltje bestaat, zijn de gevolgen gigantisch. ‘Iedereen zou razendsnel aan de slag gaan om te zoeken naar een verklaring’, zegt Tuning. Die verklaring zou als het even meezit ook allerlei andere grote fysicavragen kunnen oplossen, zoals de kwestie waarom in het heelal überhaupt materie bestaat. Maar dan moet de meting wel overeind blijven. ‘We wachten nu op nieuwe meetgegevens. Als dit deeltje echt bestaat, kun je er straks vanzelf niet meer omheen.’
4. Het onderzoek dat suggereert dat ‘donkere energie’ niets meer is dan een meetfout
Denk je het ene moment nog dat een mysterieuze, onzichtbare kosmische fietspomp het heelal continu een stukje groter blaast, even later blijkt de hele kwestie niets meer dan een ordinaire meetfout. Dat is zo grofweg de boodschap van een artikel dat Zuid-Koreaanse fysici in januari publiceerden in het vakblad The Astrophysical Journal. Daarin openen ze het vuur op het bestaan van zogeheten ‘donkere energie’, spul dat volgens fysici verantwoordelijk is voor 68 procent van de energie-inhoud van het heelal. Extra pijnlijk: voor het oorspronkelijke resultaat is al een Nobelprijs uitgereikt.
Donkere energie zorgt er met zijn continue gepomp voor dat het heelal versneld uitdijt. Fysici kunnen die groei op heterdaad betrappen door te kijken naar zogeheten supernova-explosies, ontploffende sterren die in het heelal met enige regelmaat opduiken. Wie meet hoe snel dergelijke kosmische knallers van ons wegvliegen, kan ook bepalen hoe vlot het heelal als geheel groeit.
Volgens de Zuid-Koreaanse fysici is in die bepaling een systematische fout geslopen. Hun conclusie: de kosmische fietspomp staat stil, donkere energie mag in de prullenbak. ‘Ons resultaat illustreert dat donkere energie, dat in 2011 nog een Nobelprijs in de natuurkunde opleverde, het gevolg is van wankele en verkeerde aannamen’, zei hoofdonderzoeker Young-Wook Lee daarover in een verklaring.
Lee was niet de eerste die zoiets beweerde. Een jaar eerder trokken vier astronomen, vanuit andere overwegingen, een soortgelijke conclusie in het vakblad Astronomy & Astrophysics. En daar kwam deze maand nog een artikel van Duitse astronomen, gepubliceerd in hetzelfde vakblad, overheen. Daarin berekenen ze dat we die supernova-explosies helemaal niet zo goed begrijpen als gedacht. Ook dat impliceert dat onze berekening van de uitdijingssnelheid misschien niet klopt, zo schreven ze in een begeleidend persbericht.
Allemaal terug naar af? De kosmologie van onderaf opnieuw opbouwen? Niet zo snel, zegt theoretisch fysicus Jan Pieter van der Schaar (universiteit van Amsterdam). Volgens hem is het goed dat heersende ideeën in de kosmologie kritisch worden bekeken, maar is er nog geen reden voor paniek. Het bestaan van donkere energie volgt namelijk niet alleen uit de metingen aan supernova’s, maar bijvoorbeeld ook uit metingen aan de nagloed van de oerknal, de zogeheten kosmische achtergrondstraling. Daarop laat men vervolgens het kosmologisch standaardmodel los (λ-CDM voor intimi), waarin alle huidige kennis over hoe de kosmos werkt is samengevat.
‘Mijn persoonlijke inschatting is dat het heelal versneld uitdijt en dat nauwkeurigere, exacter uitgevoerde berekeningen aan supernova’s dat ook zullen laten zien’, zegt Van der Schaar. En als dat nu eens niet het geval is? Ja, dán is het wel crisis, geeft hij toe. ‘Dan hebben we een groot probleem en moet echt alles op de schop.’
Hoe fysici jagen op nieuwe inzichten over het gedrag van de werkelijkheid
Onze natuurwetten staan stevig op hun sokkel, maar dat is niet per se goed nieuws. Terwijl het standaardmodel van de deeltjesfysica bijna alle fundamentele natuurkrachten beschrijft, is er nog wel één grote ontbrekende: de zwaartekracht.
De uitdijing van het heelal gaat sneller dan gedacht, blijkt uit metingen die grote implicaties kunnen hebben voor het lot van de kosmos – en dus de mensheid.
Zelfs het heelal heeft niet het eeuwige leven. Aan de hand van recente meetgegevens puzzelen kosmologen op het ultieme lot van het leven, het universum en alles. Dit zijn de vier meest waarschijnlijke manieren waarop het allemaal zal eindigen.
Peter van Nieuwenhuizen (81) ontving onlangs een ‘Oscar van de wetenschap’ voor zijn theorie over superzwaartekracht. Toch is de natuurkundige in zijn geboorteland Nederland nog vrijwel onbekend. ‘Om succesvol te zijn, moet je je ziel verkopen aan de fysica.’
