Voorbij het Higgs-deeltje: Drie dingen die we nog gaan leren uit Genève

Kijk elke maandag om 21.00 uur naar VICELAND voor een nieuwe aflevering van MOTHERBOARD.

Zoals je waarschijnlijk weet, staat er in Genève een deeltjesversneller met de futuristische naam The Large Hadron Collider, kortweg LHC. Large is dat ding sowieso: maatje ring van Rotterdam. En Hadrons Colliden doet hij ook. Wat kost dat? Ruim zeven miljard euro. Twee jaar geleden werd aangekondigd dat aldaar het Higgs-deeltje (a.k.a. The God Particle) was waargenomen. Een ontdekking die zo groots en belangrijk werd bevonden dat deze direct bekroond werd met een Nobelprijs.

Dus: mission accomplished? Zijn we nu klaar? Laten we die decadent dure metalen ring nu wegroesten, om stukje bij beetje ontmanteld te worden door koperdieven? Nope.

Omdat je er nooit iets over hoort, heb ik de drie spannendste ontdekkingen die we de komende decennia hopen te doen met de LHC op een rijtje gezet.

Voor ik begin moet je weten dat tot vorige week dat apparaat nog niet eens op volle toeren heeft gedraaid. De LHC stond tot nu toe nog op medium. Nu pas staat de turbo aan. Omdat we het Higgs-deeltje al hebben gevonden, zijn de verwachtingen hoog. Dus, riemen vast.

Het idee dat we in drie dimensies leven is natuurlijk hopeloos ouderwets en achterhaald. Willen we écht begrijpen wat de meest fundamentele bouwstenen van ons heelal zijn, dan zullen we moeten accepteren dat zich op de kleinste schaal meer dimensies zullen ontvouwen.

Dit klinkt als science fiction, maar zo gek hoeft dit niet te zijn. Vergelijk het met het volgende: de kabels die tussen elektriciteitsmasten hangen, lijken van zeer ver weg precies op lijnen: objecten met maar één dimensie. Pas als we inzoomen op de kabels, en ze van dichtbij bekijken, begrijpen we dat de kabels niet alleen een lengte hebben, maar ook een dikte en zekere diepte, en dus uit meer dan één dimensie bestaan. We moeten metingen op een kleine schaal doen om dit te snappen. Zo zou het dus ook best eens met ons universum kunnen werken.

Dit is het idee: dat wij eigenlijk in meerdere (vijf, zes of misschien wel tien) dimensies leven, maar dat we nu gewoon op een te grote schaal metingen doen om dit waar te nemen. Als we echter een hele goede microscoop zouden hebben, dan zouden we deze extra dimensies kunnen zien. Hoe dit er precies uit gaat zien laat ik even aan je verbeeldingskracht over. Maar de LHC kan ons op een andere manier helpen.

Stel dat er in sommige processen energie of lading of massa weglekt naar die andere dimensies. Dit effect zou heel klein zijn, omdat de extra dimensies zelf heel klein zijn. Maar als we nu eens een heel erg nauwkeurig meetapparaat hebben? Je raadt het al: de LHC is zo'n meetapparaat. Er zullen hele nauwkeurige metingen van botsingen tussen bepaalde deeltjes worden gedaan om te bekijken of er inderdaad energie weglekt naar een vijfde dimensie. Dit zou dan, indirect, bewijs leveren voor een hoger dimensionaal universum. En dat is natuurlijk heel erg spannend.

Voor deel twee wederom een geheimzinnig fenomeen. We weten van slechts een beschamende vier (VIER) procent van ons heelal uit wat voor materiaal het bestaat. Daar willen we graag wat aan doen.

Als we nauwkeurig observeren hoe sterren in ver-gelegen sterrenstelsels als gevolg van hun onderlinge zwaartekracht bewegen, dan zien we dat deze sterren zich niet gedragen zoals we verwachten. Ze bewegen zich alsof er gigantisch veel onzichtbare materie aanwezig is, die dus zijn eigen zwaartekracht uitoefent op deze sterren. We hebben geen flauw benul wat voor geheimzinnige materie dit zou kunnen zijn, dus noemen we het in de tussentijd maar even 'donkere materie'.

Alle 'normale' materie die we nu kennen is opgebouwd uit kleine deeltjes die we hebben waargenomen in deeltjesversnellers. Onder de bekende materie vallen de protonen, neutronen en elektronen, maar ook de bij het publiek minder bekende quarks, muonen en positronen. Om nog maar te zwijgen over de W- en Z-bosonen. Misschien ligt de oorsprong van de donkere materie ook wel in zo'n deeltje. Een deeltje dat we kunnen waarnemen in een deeltjesversneller: een donkere-materie-deeltje.

Het probleem is dat dit deeltje zich heel slecht laat meten: we hebben het immers nog nooit gezien. We zouden een extreem gevoelige microscoop nodig hebben om dit hypothetische deeltje waar te nemen – en gelukkig is de LHC zo'n extreem gevoelige microscoop.

Er zijn op het moment vele onderzoekers bezig om een model maken dat het probleem van de donkere materie oplost met een deeltje dat we zouden kunnen vinden in de LHC.

Omdat we niet echt weten waar we precies naar zoeken zijn er veel verschillende modellen. Elke onderzoeker heeft een eigen idee over hoe klein dat deeltje moet zijn en waar we het moeten zoeken. Dat maakt de zoektocht niet makkelijk. Toch verwacht men dat we binnen een paar jaar zo'n deeltje zullen vinden in de Large Hadron Collider.

De vorige twee fenomenen – extra dimensies en donkere materie – spreken erg tot de verbeelding en zijn bijzonder spectaculair. De derde is iets technischer, maar voor velen juist des te spannender.

De wereld en het universum zijn extreem symmetrisch. Dit feit maakt het bedrijven van natuurkunde mogelijk: de herhalingen die we bij de planeten, de sterren en de cyclus van de maan zien, maar ook in de prachtige patronen van bloemen, DNA en de atomen, zijn allemaal bewijzen dat de Natuur een grote voorliefde heeft voor symmetrie en patronen. Ook op de allerkleinste schaal, de schaal van de elementaire deeltjes, zien we deze patronen en symmetrieën terug, en het is aan de hand van deze symmetrieën dat we in staat zijn geweest te om te voorspellen dat er zoiets als een quark of een Higgs-deeltje moest bestaan.

Een voorbeeld van deze symmetrie op de kleinste schaal is de zogenaamde kleurensymmetrie: quarks (de bouwstenen van het proton) hebben een kleur: rood, blauw of geel. Het proton bestaat uit drie quarks: een rode, blauwe en een gele bijvoorbeeld. Maar niet uit uitsluitend drie rode of drie gele quarks.

De kleurensymmetrie beschrijft dat het niet uitmaakt hoe we die drie kleuren verdelen over de quarks, zolang de quark maar 'kleurneutraal' blijft. Net zoals een driehoek een driehoek blijft als we deze draaien over 120 graden. Door deze kleurensymmetrie goed te begrijpen is het halverwege de vorige eeuw gelukt om een model van deeltjes te voorspellen, deeltjes die later zijn waargenomen in deeltjesversnellers zoals de LHC. Nu is dat model (een soort Lego-doos) prachtig, met kleuren en patronen en wat niet al. Maar het model zou nóg mooier en nóg completer zijn als er nog één symmetrie zou worden toegevoegd.

Deze symmetrie heet, erg bombastisch, supersymmetrie. En super zou deze symmetrie zeker zijn. Het voorstel is om het hele model (de hele Lego-doos) in een spiegel te zetten. Dat zou beteken dat elk deeltje een spiegeldeeltje krijgt, een soort partner. Een superpartner. Theoretisch gezien zou dit een prachtige symmetrie opleveren, die naar men verwacht een benadering is van de werking van de Natuur. Daarnaast zou een van deze superpartners misschien wel de rol kunnen spelen van een deeltje dat donkere energie zou beschrijven, en hebben we twee vliegen in één klap!

Helaas hebben we nog nooit een superpartner gevonden, waardoor sommigen vrezen dat ze zeer klein zijn en alleen met een zeer gevoelig meetapparaat waargenomen kunnen worden. Een apparaat zoals de LHC.

Er zijn veel mensen die onderzoek doen naar deze superdeeltjes. Bovendien hebben veel andere theorieën, zoals de snaartheorie, deze superdeeltjes hard nodig om consistent te zijn. Niet iedereen is echter even enthousiast over supersymmetrie. Sommigen vinden het te academisch en de ideeën te zeer gedreven door esthetiek en te weinig door observatie en realisme. Het is een populair gebruik onder natuurkundigen om weddenschappen af te sluiten over de waarneming van superdeeltjes. Omdat de theorie zo concreet is, verwachten we binnen tien à twintig jaar van de LHC uitsluitsel te kunnen krijgen over het bestaan van zulke supersymmetrische deeltjes, en kunnen de weddenschappen uitbetaald worden.

Je ziet dat het Higgs-deeltje slechts het topje van een ijsberg is. Een ijsberg van futuristische en geweldige ideeën. Ook bij de bovengenoemde voorstellen houdt de lijst niet op. Zo gaat er bijvoorbeeld gemeten worden of het Higgs-deeltje eigenlijk niet uit meerdere kleine Higgsjes bestaat, en of de elektrozwakke symmetrie niet misschien wordt gebroken… De LHC is deze week pas op volle toeren gaan draaien, dus het zal nog even wachten zijn tot de data binnenstromen en verwerkt zijn tot echte resultaten. In de tussentijd mogen we nog even doorgaan met speculeren en fantaseren – want dat is natuurlijk eigenlijk het leukst.