Nou, waar zijn die deeltjes dan?

Twee veelbelovende deeltjesexperimenten, de een in Genève en de ander op de Zuidpool, meldden deze zomer dat ze niks bijzonders vinden. Zit de natuurkunde op een dood spoor? Vijf impertinente vragen over de deeltjesjacht.

De IceCube-detector op de Zuidpool. Beeld RV - Emanuel Jacobi, IceCube/NSF

Wat vooraf ging, om te beginnen: al sinds december vorig jaar hielden natuurkundigen en hun fans de adem in over een vreemd energiepiekje dat in beide grote detectoren op deeltjeslab CERN in Genève opduikt. Daar draaide sinds de zomer de LHC-superversneller op ongekend hoge energie.

In de metingen lijkt bij een energie van 750 giga-elektronvolt vaker een duo lichtdeeltjes te ontstaan dan werd verwacht. Nu is het te verwachten dat er in de biljoenen waarnemingen van botsende protonen nu en dan vreemde uitschieters zitten. Maar dat twee detectoren onafhankelijk van elkaar precies eenzelfde uitschieter signaleren, is opmerkelijk. Dat lijkt te duiden op een totaal onbekend deeltje, dat volgens de eerste schattingen zesmaal zo zwaar moest zijn als het befaamde higgsdeeltje, in dit lab ontdekt in 2012.

Theoretici veerden op en schreven meer dan vijfhonderd artikelen met potentiële verklaringen voor de illustere '750 GeV bump', veelal op basis van hun eigen favoriete deeltjesideeën. De metingen van de Atlas- en CMS-detectoren gingen intussen onverminderd door en na ongekend snelle data-analyses kwam begin augustus op een conferentie in Chicago het hoge woord eruit: er is geen deeltje, het was allemaal ruis en toeval geweest. Wat rest is een kater en nakaarten.

Wat eveneens vooraf ging: in het ijs van de Zuidpool is sinds enkele jaren een immens rooster van duizenden lichtdetectoren afgezonken, de Europees-Amerikaanse IceCube-detector. Het apparaat van een kubieke kilometer groot is gebouwd om zogeheten neutrino's uit de ruimte te vangen. Neutrino's zijn spookdeeltjes die ontstaan bij kernreacties en daarna haast ongehinderd door alle materie heen vliegen omdat ze ongevoelig zijn voor de elektromagnetische krachten die materie bijeenhouden. Desnoods vliegen ze dwars door de hele aardbol. Heel soms raakt er dan in zee of ijs één een watermolecuul via de zogeheten zwakke kernkracht, waarna het in een flits van licht vergaat. Die flitsen ziet IceCube.

Neutrino's bestaan volgens de gangbare modellen in drie smaken: elektron, muon en tau. In theorie kan er ook nog een vierde smaak zijn die andere materie zelfs niet via de zwakke wisselwerking kan raken. IceCube speurde twee jaar lang naar zulke ongrijpbare steriele neutrino's, die bijvoorbeeld een verklaring kunnen bieden voor de donkere materie in het heelal: het onzichtbare spul waarmee de ruimte vol moet zitten om te verklaren waarom de sterren bewegen zoals ze bewegen. Alweer in de eerste week van augustus publiceerde IceCube zijn resultaten: nul steriele neutrino's.

De IceCube-detector op de Zuidpool speurt naar zogeheten neutrino's. Beeld RV - Credit: Erik Beiser, IceCube/NSF
De LHC-superversneller in Genève, de grootste deeltjesverpulveraar ter wereld. Beeld HH/Rex Features

Wat hebben natuurkundigen toch met nieuwe deeltjes?

Deeltjes zijn de bouwstenen van alles: het universum, de aarde, uw kat, computer en uw boterham met kaas. Natuurkundigen kennen de deeltjeswereld inmiddels haast lachwekkend goed. Sinds de jaren zeventig van de vorige eeuw is er het zogenaamde Standaard Model dat deeltjes en hun onderlinge krachten prachtig beschrijft. Dat model, een wirwar van gecompliceerde wiskundige formules, heeft maar één probleem: bij superhoge energie werken de formules niet meer.

Of eigenlijk meer dan één probleem, want de zwaartekracht komt er niet eens in voor. Er zijn tientallen ideeën over een betere theorie van alles, liefst een waar ook de zwaartekracht meteen in is opgenomen. Er wordt gerept van alles van een heel spiegeluniversum van zware deeltjes (supersymmetrie) tot strak opgerolde extra dimensies, misschien wel twintig. Maar alleen de deeltjeswereld zelf kan aangeven welk idee - if any - het juiste is, door krachten en deeltjes op te lepelen waar de bestaande theorie niets van begrijpt.

Op die manier paste de fotonpiek van de LHC op een geweldige manier niet in het Standaard Model. Het steriele neutrino net zomin.

Zijn die reusachtige experimenten nou echt nodig?

De LHC-versneller is de grootste deeltjesverpulveraar ter wereld, een tunnelring met een omtrek van 27 kilometer onder de Frans-Zwitserse grens bij Genève. Het apparaat jaagt met magneetvelden protonen tot vrijwel de lichtsnelheid op en laat ze daarna frontaal botsen bij energieën die in het dagelijkse bestaan niet voorkomen.

De LHC heeft miljarden gekost, maar kan dan ook fysische domeinen verkennen die nog nooit betreden zijn. De gebruikte protonen hebben voor- en nadelen: protonen zijn geen puntdeeltjes, waardoor ze botsen alsof er twee Zwitserse horloges op elkaar worden geschoten in de hoop hun bouw en onderdelen te begrijpen.

Voordeel is dat er reusachtig veel te ontdekken valt in de rondvliegende brokstukken. En veel kleiner of goedkoper kan het niet: rondrazende geladen deeltjes kunnen veel kortere bochten niet aan.

Dat de IceCube zo'n reusachtige omvang, een kubieke kilometer ijs met ruim vijfduizend detectoren op anderhalf tot 2,5 kilometer diep, moet hebben komt doordat neutrino's zich zo zelden vertonen. In het gebruikte ijsvolume wordt elke zes minuten een lichtflits verwacht van een neutrino dat op een watermolecuul botst, nog steeds geen aantallen waar je snel solide statistieken mee bereikt. Daarbij tellen alleen neutrino's die zich kort voor aankomst eerst door de hele aardkern heen hebben geboord. Ook de IceCube heeft miljarden gekost, onder meer door de plaatsing op een van de meest onherbergzame plekken ter wereld: Antarctica.

Wat kan het eigenlijk schelen als zulke deeltjes niet te vinden zijn?

Onbekende deeltjes als het superzware piekdeeltje van de LHC of het steriele neutrino van IceCube hadden voor het eerst in decennia een serieuze onvolmaaktheid in het standaardmodel kunnen blootleggen. Voor veel theorieën zou dat een moment van de waarheid zijn geweest. Maar vooralsnog is er niet eens sprake van een krasje; beide experimenten zien geen barst van de gehoopte nieuwe fysica. Als die er is, laat hij zich in de LHC niet zo eenvoudig aanwijzen. En als het steriele neutrino bestaat, is het nog stukken gekker (en vooral zwaarder) dan theoretici meenden.

Deze miljardenexperimenten zijn dus weggegooid geld?

Dat is een groot misverstand. Ontdekken dat een bepaald effect of deeltje niet bestaat is namelijk ook belangrijk. De jacht op het beroemde higgsdeeltje, dat in het Standaardmodel verantwoordelijk is voor de uiteenlopende massa's van de deeltjes, verliep decennialang ook via het wegstrepen van mogelijkheden. Pas in 2011-2012 vonden de fysici van CERN een echt piekje waar dat niet hoorde op te duiken zonder een higgs.

Dat CERN met meer metingen minder van het aanvankelijke piekje ziet, noemen de fysici daar zelf een triomf van de statistische zorgvuldigheid. Piekjes verdwijnen in het meetwerk van de deeltjesjagers aan de lopende band in de ruis. Beter zoiets, dan met veel tamtam iets nieuws aankondigen dat daarna toch een illusie blijkt.

Of een fout, zoals eerder de neutrino's die sneller dan het licht leken te gaan (bleek een kwestie van een defecte klok) of het heftige overkoken van de oerknal (inflatie) dat bij nader inzien komisch stof bleken te zijn. Pijnlijke kwesties die de dure deeltjesjacht pas echt in een slecht daglicht stellen, zeggen de jagers zelf. Een voordeel had de verdwenen lichtpiek ook: in de 500 artikelen die theoretici erover schreven zitten talloze nieuwe ideeën die anders waren blijven liggen.

Lastig geheim

Ergens tussen de Atlas- en de CMS-detector ligt de kleine toetervormige LHCb-detector die al drie jaar een lastig geheim koestert. Het deels Nederlandse apparaat is gebouwd om fijnzinnige verschijnselen in protonbotsingen op te sporen. LHCb ziet een hardnekkige afwijking in het verval van quarks, de diepste bouwstenen van alle materie. De gangbare deeltjestheorie kan van die afwijking geen chocola maken, wat volgens sommigen duidt op de langgezochte barst in de deeltjestheorie. Het probleem is: het effect gaat zelfs veel theoretici ver boven de pet, zodat analyses van de metingen eigenlijk te veel haken en ogen houden. Zie zoiets maar eens aan de buitenwereld uit te leggen.

Hoe houd je er als fysicus eigenlijk de moed in?

Door te benadrukken dat deeltjesfysica, om in sportieve termen te spreken, geen sprint is maar een marathon. Theoretici weten vooral zeker dat het Standaard Model onmogelijk het hele verhaal over het hele weefsel van de kosmos kan zijn. Dat de theorie langer stand houdt dan ooit was gedacht, is duidelijk. Maar de LHC is met zijn Atlas- en CMS-detectoren gebouwd om tot het jaar 2030 naar botsende protonen te kijken. De nu gesneuvelde fotonpiek zou een kolossaal cadeau voor de deeltjesjagers zijn geweest. Maar nu die na een eerste schim toch in de ruis is opgelost, zijn er nog veel meer opties. Dat hoeven niet eens echte nieuwe deeltjes te zijn; kleine afwijkingen in bekende effecten kunnen net zo goed het begin van een echte barst in het Standaard Model zijn. Het losse draadje dat het hele weefsel ontrafelt.

En daarvoor is nog volop ruimte. Tegen 2030 hebben de CERN-fysici pakweg honderdmaal zoveel meetgegevens als nu verzameld, is de schatting. Met ongeveer tachtig wetenschappelijke artikelen per jaar is er dus nog een stortvloed aan tests van ideeën en theorieën in de maak. De Geneefse versneller, zegt een betrokken onderzoekster het mooi, is een nog nooit betreden woestijngebied binnengetrokken. Nu is het zaak geduldig onder elke steen te kijken of zich daar iets bijzonders verbergt. 'Onder één steen zat niks, op naar de rest.'

Bij IceCube is het eigenlijk niet anders. Van het steriele neutrino mag geen spoor te vinden zijn; de databanken van het experiment zitten vol sporen van gewone neutrino's uit de kosmos, vele met onbegrijpelijk hoge energie. Niemand weet wat de bron is en waarom ze zo hard gaan. Kijk, dat zijn de dingen waarvan fysici rechtop gaan zitten. En als ze het uitvinden u ook.

Met dank aan Ivo van Vulpen (Atlas / Nikhef), Freya Blekman (CMS / VU Brussel), Sijbrand de Jong (CERN), Stan Bentvelsen (Nikhef), Niccolo de Groot (Radboud Universiteit) en Nick van Eijndhoven (IceCube / VU Brussel).

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.