Ontvang e-mails over aankomende NOVA-programma’s en aanverwante inhoud, evenals speciale reportages over actuele gebeurtenissen door een wetenschappelijke bril.
Uit The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , een insidersverslag van de operationele geschiedenis van de LHC en de zoektocht naar het Higgs boson, door Don Lincoln. Gepubliceerd door Johns Hopkins University Press. Overgenomen met toestemming van de uitgever.
De wiskundige Augustus de Morgan uit de Victoriaanse tijd schreef:
Grote vlooien hebben kleine vlooien op hun rug om te bijten
En kleine vlooien hebben kleinere vlooien, en zo ad infinitum.
En de grote vlooien hebben op hun beurt weer grotere vlooien om te bijten,
terwijl deze weer grotere vlooien hebben, en nog grotere, enzovoorts.
Deze vaak geciteerde passage is een parodie op Jonathan Swift’s 1733’s On Poetry: A Rhapsody , dat over poëzie was geschreven. Wetenschappers hebben deze regels echter opgevat als een metafoor voor de natuurlijke wereld. Als men de microwereld leert kennen, wordt men al snel geconfronteerd met de constatering dat alle materie uit moleculen bestaat. Moleculen zijn op hun beurt gemaakt van atomen, die zelf weer zijn gemaakt van elektronen en atoomkernen. De kernen zijn gemaakt van protonen en neutronen en deze zijn samengesteld uit quarks.
Maar voor zover wij weten, zijn quarks en elektronen het. Dat is het einde van de lijn voor zover de structuur gaat. In tegenstelling tot het atoom of het proton, die een rijke structuur hebben met complexe interacties tussen hun componenten, wordt momenteel aangenomen dat de quarks en elektronen helemaal geen interne structuur hebben. Zowel theoretisch als fysisch worden zij beschouwd als wiskundige punten.
Natuurlijk kan iedereen met een beetje fantasie het niet helpen te zeggen, “Wacht nu eens even. Waarom zouden de quarks en leptonen zelf geen interne structuur kunnen hebben?” Nou, er is maar één mogelijk antwoord en dat is: “Dat kunnen ze.” De quarks en elektronen (en, bij uitbreiding, alle leptonen) zouden uit nog kleinere objecten gemaakt kunnen zijn. Of ze kunnen (nogal onwaarschijnlijk) inderdaad fundamenteel zijn (d.w.z. geen kleinere delen hebben, met andere woorden, structuurloos).
Laten we, voordat we verder gaan, eens kijken naar de afmetingen waar het om gaat. Alles in de microwereld is klein. Een enkel molecuul is zo klein dat je er een miljoen naast elkaar zou kunnen leggen in een enkele millimeter. Ze zijn zo klein dat je ze met gewoon licht niet kunt zien. En toch zijn zulke kleinere objecten enorm groot: een miljard keer groter dan de onderzoeksgrens.
Moleculen zijn opgebouwd uit atomen, die ongeveer een tiende van de grootte van moleculen zijn. Het mentale beeld van een atoom als een klein zonnestelsel, met de zon als kern en planetaire elektronen, is gebrekkig en toch is het niet zonder verdienste. Het benadrukt het feit dat een atoom voor het grootste deel uit lege ruimte bestaat, waarbij de elektronen uitzinnig wervelen ver van een kleine, dichte kern. De straal van de kern is ongeveer 10.000 maal kleiner dan het atoom en neemt slechts een triljoenste van het volume in.
De kern van het atoom bestaat uit protonen en neutronen, dicht opeengepakt. Mijn mentale beeld van de kern is een massa kikkereitjes of knikkers na te zijn gehanteerd door een kleuter met zeer kleverige vingers. Elk proton of neutron is ongeveer 10-15 meter breed, en je zou er een biljoen van elkaar moeten leggen om één millimeter te overbruggen. Dat is klein.
Protonen en neutronen bevatten quarks en gluonen. De eenvoudigste manier om aan een proton te denken is dat er twee opwaartse quarks en een neerwaartse quark vastzitten in een krachtveld van gluonen. Denk aan drie genummerde plastic ballen in een van die lucht-geblazen loterijmachines en je krijgt het basisidee.
Maar het mentale beeld van quarks als plastic ballen heeft één grote tekortkoming. De ballen zijn niet veel kleiner dan een loterij machine. Quarks zijn klein. Misschien is een beter mentaal beeld van het proton drie kleine piepschuimvlokjes in dezelfde machine.
Dus wat weten we van de grootte van quarks? Eerder zei ik dat ze geen grootte hebben, en dat is zeker hoe de huidige theorie ze behandelt. Maar als experimentator houd ik me meer bezig met metingen. U, de lezer, zult wel nieuwsgierig zijn naar wat metingen hebben uitgewezen over de grootte van een quark. En nu het antwoord… tromgeroffel alsjeblieft… dat hebben ze niet. Dit betekent niet dat we niets weten over hun grootte. We hebben deze vraag vrij grondig bestudeerd, en we weten precies hoe goed onze apparatuur is. Als quarks (en elektronen) groter waren dan ongeveer tienduizend keer kleiner dan een proton, dan hadden we gezien dat ze een afmeting hebben. In al onze experimenten hebben we nog nooit ook maar de geringste geloofwaardige aanwijzing van een grootte gezien. We kunnen daarom concluderen dat, hoewel we niet kunnen zeggen wat de werkelijke grootte van een quark of elektron is, we veilig kunnen zeggen dat als quarks al een grootte hebben, ze kleiner zijn dan een tienduizendste van de grootte van een proton.
Als dit idee moeilijk te begrijpen is, laten we dan eens kijken hoe klein een voorwerp is dat je met je ogen kunt zien. U kunt gemakkelijk een zandkorrel zien. Met heel veel moeite kunt u misschien het kleinste beetje meel in uw kast zien. Maar dat is het wel zo’n beetje. Met je blote oog kun je niets zien dat kleiner is. Dus als je besluit om met je oog naar een kiem te kijken, zou je kunnen concluderen dat die geen grootte heeft, maar de strikt correcte conclusie die je zou moeten trekken is dat kiemen kleiner zijn dan een piepklein meelvlekje.
Met betere apparatuur, zeg een krachtige microscoop, kan men zien dat ziektekiemen wel degelijk een meetbare grootte hebben. Dus als je eenmaal de beperking van je apparatuur hebt bereikt, moet je gewoon een krachtigere microscoop aanschaffen. De microscoop die de LHC is en zijn twee primaire detectoren zullen de grootte van quarks waarnemen als ze niet kleiner zijn dan 20 of 30 duizendste van de grootte van een proton … of ze zullen een grens stellen die ongeveer twee of drie keer kleiner is dan nu wordt gedacht.
Hoewel waarnemingen, intuïtie, en het de Morgan’s deuntje genoeg kunnen zijn om een vermoeden te ondersteunen dat andere niveaus van materie op steeds kleinere schaal kunnen voorkomen – een hele nieuwe laag of reeks lagen in de kosmische ui – zijn er ook meer wetenschappelijke redenen. Neem bijvoorbeeld het periodiek systeem. Hoewel Mendelejev het als een organisatieschema bedoelde, werd het met de formulering van de theorie van het atoom en de kwantummechanica in de eerste decennia van de twintigste eeuw duidelijk dat het periodiek systeem in feite de eerste aanwijzing was van de atomaire structuur, een halve eeuw voordat we de boodschap van het systeem werkelijk begrepen.
Terwijl het verhaal verteld door het periodiek systeem duidelijk hintte op atomaire structuur, suggereert het verhaal van nucleaire straling ook de structuur van de kern. Bijvoorbeeld, cesium ( 137 55 Cs, met vijfenvijftig protonen en tweeëntachtig neutronen) zendt een elektron uit en wordt barium ( 137 56 Ba, met zesenvijftig protonen en eenentachtig neutronen).
Laten we deze historische voorbeelden nemen en de redenering toepassen op de moderne wereld. We beseffen dat historische lessen niet altijd opgaan. Maar soms doen ze dat wel.
Ons “periodiek systeem” van deeltjes is weergegeven in de afbeelding hierboven. De organisatie is anders dan die van het chemische periodiek systeem. In de figuur zijn er zes soorten quarks. De up, charm, en top quarks hebben allemaal +⅔ lading (in een systeem waar de lading van een proton +1 is) en de massa van de charm quark is groter dan die van de up quark, die op zijn beurt weer groter is dan de top quark. Evenzo hebben de down-, strange- en bottom-quarks allemaal elektrische lading -⅓, waarbij de massa toeneemt naarmate men naar rechts gaat.
In het moderne periodiek systeem zijn de “chemisch gelijksoortige” eenheden de rijen, in tegenstelling tot de kolommen van Mendelejev’s systeem. We zien dat er drie “generaties” of koolstofkopieën van hetzelfde quark- en leptonpatroon zijn. Dit doet sterk denken aan de hints die het chemisch periodiek systeem ons gaf in de tweede helft van de negentiende eeuw.
Er is nog een historische gelijkenis te overwegen. Net zoals de verschillende atoomkernen kunnen vervallen in andere kernen, kunnen ook de quarks en leptonen vervallen. Een top quark kan vervallen in een bottom quark en een W boson. Evenzo kan het muon vervallen in een elektron en twee neutrino’s. Andere soorten verval van quark en lepton zijn ook mogelijk. In feite vervallen alle deeltjes van de tweede en derde generatie uiteindelijk in de deeltjes van de eerste generatie. Een cruciale aanwijzing is dat de enige kracht die een quark of lepton in een andere kan veranderen (we zeggen “de ‘smaak’ van de quark of lepton kan veranderen”) de zwakke kracht is. Verder kan specifiek alleen het elektrisch geladen W boson dit werk doen.
Er is geen hard bewijs dat de aanwezigheid van quark en lepton generaties aangeeft dat quarks en leptonen zelf zijn samengesteld uit kleinere (tot nu toe onontdekte) deeltjes. De historische analogie is echter zeer suggestief en verdient zeker nadere aandacht. Het feit dat men, door een W boson uit te zenden, de quark of lepton smaak kan veranderen is een uiterst waardevolle aanwijzing die iets belangrijks naar fysici schreeuwt.
Ik wou alleen dat ik het verstand had om te begrijpen wat het zei.
Echter, zelfs zonder het cruciale inzicht dat het raadsel wijd open kraakt, kunnen we intelligent speculeren over het onderwerp en (veel belangrijker) zeven door onze hopen van gegevens, op zoek naar aanvullende aanwijzingen. Zoals bij alle zoektochten naar nieuwe natuurkundige verschijnselen, moet je een beredeneerde gok maken over waar je naar moet zoeken en dan zoeken. Dus, wat zijn de waarschijnlijke experimentele signaturen van quark structuur?
Historisch gezien is een van de beste plaatsen om te zoeken de meest gewelddadige botsingen. Je gooit twee objecten tegen elkaar en kijkt hoeveel botsingen er zijn bij elk niveau van geweld. In het bijzonder kijk je naar de hoeveelheid “zijwaarts geweld”. Technisch gezien noemen we dit transversaal momentum , wat betekent loodrecht op de straal. Er zijn technische redenen voor deze keuze, maar meestal is het omdat je iets hard moet raken om het uit zijn oorspronkelijke richting zijwaarts te laten gaan.
Tegenwoordig nemen de meeste natuurkundigen een afwachtende houding aan en geven er de voorkeur aan te zien welke hints het heelal ons zal geven. Desondanks zijn er namen voorgesteld voor deze objecten die kleiner zijn dan quarks, met als populairste “preon” (voor pre-quark). Maar elke theoretisch natuurkundige die een theorie heeft bedacht, heeft zijn of haar eigen naam bedacht, met subquarks, maons, alphons, quinks, rishons, tweedles, helons, haplons, en Y-deeltjes die allemaal zijn voorgesteld. Ik vind de namen quinks of tweedles zelf wel leuk.
Wat zal de volgende grote ontdekking zijn? Ik heb geen idee. Het zou wel eens een van de hier genoemde onderwerpen kunnen zijn. Of, nog spannender, het kan iets totaal onverwachts zijn; iets dat ons zomaar uit het niets te binnen schiet. Zoals ze zeggen, de tijd zal het leren.