Wat was er voor de oerknal? Wat ligt er buiten het heelal? En wat is onze plaats in die wonderlijke kosmos? In aflevering 4 kijken we ver weg in de ruimte, en ver terug in de tijd. Want de aller verste sterrenstelsels zien we niet zoals ze nu zijn, maar zoals ze miljarden jaren geleden waren. In de prille jeugd van het heelal.

Wat was er voor de oerknal? Wat ligt er buiten het heelal? En wat is onze plaats in die wonderlijke kosmos? In aflevering 4 kijken we ver weg in de ruimte, en ver terug in de tijd. Want de aller verste sterrenstelsels zien we niet zoals ze nu zijn, maar zoals ze miljarden jaren geleden waren. In de prille jeugd van het heelal.

In de Diepte is terug! Na Terug naar de Oerknal met Govert Schilling en Baan door het Brein met Iris Sommer is het nu tijd voor een nieuw avontuur: Reis naar de kern. Een fascinerende duik in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de allergrootste vragen worden beantwoord. 

Waar is alle materie uit opgebouwd, en welke wetten volgen die deeltjes om alles op aarde en de rest van het heelal vorm te geven? Wat is antimaterie, en wat heeft quantumtheorie daarmee te maken? Je denkt misschien dat dat ver van je normale belevingswereld afstaat, maar al deze inzichten worden dagelijks gebruikt. Van de GPS op je telefoon, tot de scanners in ziekenhuizen. 

Reis naar de kern wordt gepresenteerd door Ivo van Vulpen, deeltjesonderzoeker bij CERN in Genève en verbonden aan de Universiteit van Amsterdam. 

In vijf afleveringen zoomen we in op de wereld van het atoom, de quantummechanica, antimaterie en de ontdekking van het Higgs Boson. 

Abonneer je op Reis naar de kern via Spotify of Apple Podcasts en mis geen aflevering. Wil je alles in één keer luisteren? Je vindt de hele serie vanaf 10 juli in de BNR-app. 

In de Diepte is terug! Na Terug naar de Oerknal met Govert Schilling en Baan door het Brein met Iris Sommer is het nu tijd voor een nieuw avontuur: Reis naar de kern. Een fascinerende duik in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de allergrootste vragen worden beantwoord.&nbsp;
Waar is alle materie uit opgebouwd, en welke wetten volgen die deeltjes om alles op aarde en de rest van het heelal vorm te geven? Wat is antimaterie, en wat heeft quantumtheorie daarmee te maken? Je denkt misschien dat dat ver van je normale belevingswereld afstaat, maar al deze inzichten worden dagelijks gebruikt. Van de GPS op je telefoon, tot de scanners in ziekenhuizen.&nbsp;
Reis naar de kern wordt gepresenteerd door Ivo van Vulpen, deeltjesonderzoeker bij CERN in Gen&egrave;ve en verbonden aan de Universiteit van Amsterdam.&nbsp;
In vijf afleveringen zoomen we in op de wereld van het atoom, de quantummechanica, antimaterie en de ontdekking van het Higgs Boson.&nbsp;
Abonneer je op Reis naar de kern via Spotify of Apple Podcasts en mis geen aflevering. Wil je alles in &eacute;&eacute;n keer luisteren? Je vindt de hele serie vanaf 10 juli in de BNR-app.&nbsp;

In de Diepte: Reis naar de kern

Wat was er voor de oerknal? Wat ligt er buiten het heelal? En wat is onze plaats in die wonderlijke kosmos?

In de podcast Terug Naar de Oerknal neemt wetenschapsjournalist Govert Schilling je mee op een adembenemende reis naar het begin van alles, en wat daaraan voorafging. In deze unieke, verhalende podcast ontdek je de grenzen van ruimte en tijd, en maak je kennis met de mysteries van het uitdijende universum. Van de oorsprong van de moderne sterrenkunde, naar de diepste mysteries en belangrijkste vragen over de kosmos, ons universum, het multiversum en nog veel meer. 

Wat was er voor de oerknal? Wat ligt er buiten het heelal? En wat is onze plaats in die wonderlijke kosmos?
In de podcast Terug Naar de Oerknal neemt wetenschapsjournalist Govert Schilling je mee op een adembenemende reis naar het begin van alles, en wat daaraan voorafging. In deze unieke, verhalende podcast ontdek je de grenzen van ruimte en tijd, en maak je kennis met de mysteries van het uitdijende universum. Van de oorsprong van de moderne sterrenkunde, naar de diepste mysteries en belangrijkste vragen over de kosmos, ons universum, het multiversum en nog veel meer.

In de Diepte: Terug naar de Oerknal

In de Diepte is terug! Na Terug naar de Oerknal en Baan door het Brein is het nu tijd voor een nieuw avontuur: Reis naar de kern. Een fascinerende duik in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de allergrootste vragen worden beantwoord.

In de Diepte is terug! Na Terug naar de Oerknal en Baan door het Brein is het nu tijd voor een nieuw avontuur: Reis naar de kern. Een fascinerende duik in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de allergrootste vragen worden beantwoord.

In de Diepte

In de Diepte is terug! Na Terug naar de Oerknal met Govert Schilling en Baan door het Brein met Iris Sommer is het nu tijd voor een nieuw avontuur: Reis naar de kern. Een fascinerende duik in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de allergrootste vragen worden beantwoord.&nbsp; Waar is alle materie uit opgebouwd, en welke wetten volgen die deeltjes om alles op aarde en de rest van het heelal vorm te geven? Wat is antimaterie, en wat heeft quantumtheorie daarmee te maken? Je denkt misschien dat dat ver van je normale belevingswereld afstaat, maar al deze inzichten worden dagelijks gebruikt. Van de GPS op je telefoon, tot de scanners in ziekenhuizen.&nbsp; Reis naar de kern wordt gepresenteerd door Ivo van Vulpen, deeltjesonderzoeker bij CERN in Gen&egrave;ve en verbonden aan de Universiteit van Amsterdam.&nbsp; In vijf afleveringen zoomen we in op de wereld van het atoom, de quantummechanica, antimaterie en de ontdekking van het Higgs Boson.&nbsp; Abonneer je op Reis naar de kern via Spotify of Apple Podcasts en mis geen aflevering. Wil je alles in &eacute;&eacute;n keer luisteren? Je vindt de hele serie vanaf 10 juli in de BNR-app.&nbsp;

Terug naar de Oerknal | 4. Naar de rand van de oneindigheid

Waar is alle materie uit opgebouwd, en welke wetten volgen die deeltjes om alles op aarde en de rest van het heelal vorm te geven? Wat is antimaterie, en wat heeft quantumtheorie daarmee te maken? In Reis naar de kern neemt Ivo van Vulpen, deeltjesonderzoeker bij CERN in Genève en verbonden aan de Universiteit van Amsterdam, je mee langs al deze grote vragen. Je denkt misschien dat dat ver van je normale belevingswereld afstaat, maar al deze inzichten worden dagelijks gebruikt. Van de GPS op je telefoon, tot de scanners in ziekenhuizen.. 

Over Reis naar de Kern

Na Terug naar de Oerknal met Govert Schilling en Baan door het Brein met Iris Sommer is het nu tijd voor een nieuw avontuur: Reis naar de kern. Een fascinerende duik in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de allergrootste vragen worden beantwoord. In vijf afleveringen zoomen we in op de wereld van het atoom, de quantummechanica, antimaterie en de ontdekking van het Higgs Boson.

Reis naar de Kern is een podcast van BNR. Tekst en presentatie: Ivo van Vulpen. Concept: Connor Clerx. Eindredactie: Annick van der Leeuw. Montage: Gijs Friesen en Connor Clerx. Sounddesign en mixage: Gijs Friesen.

Over Ivo 

Ivo van Vulpen is als deeltjesfysicus werkzaam aan de Universiteit van Amsterdam, het Nationaal Instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) en hij doet onderzoek bij de deeltjesversneller (Large Hadron Collider) bij CERN in Genève. Hij is hoogleraar Wetenschapscommunicatie, in het bijzonder betreffende de natuurkunde, aan de Universiteit Leiden. In 2018 verscheen zijn eerste boek: De melodie van de natuur.

Lees ook dit artikel op BNR.nl

Transcript aflevering

In een verhaal over de wereld van de het allerkleinste heb je de enorme luxe dat je kunt kiezen uit een lange lijst van belangrijke ontdekkingen, nieuwe inzichten, Nobelprijzen en toepassingen die de basis vormen van onze samenleving. En ook de lijst van beroemde wetenschappers is eindeloos met de ‘onsterfelijken’ als Newton, Einstein en Curie als de wetenschappelijke equivalenten van sporthelden als Messi, Michael Jordan en Femke Bol.

Het is verleidelijk om het in een verhaal over de wetenschap alleen te hebben over de succesverhalen. Dat is ook vaak hoe het grote publiek kennis maakt met de wetenschap in kranten en het nieuws. Maar zo’n aaneenschakeling van doorbraken door eenlingen als een ‘logische’ ketting geeft een verkeerd beeld van de wetenschap. Zo werkt het niet. Nieuwe inzichten komen niet spontaan uit de lucht vallen. Ze zijn het resultaat van een lange zoektocht van heel veel mensen. Met veel vallen en opstaan. Sommige ideeën bleken waar en zijn inderdaad gepromoveerd tot natuurwetten, maar de meeste experimenten mislukten of leverden geen nieuwe kennis op en zijn in de vergetelheid geraakt, net als hun bedenkers. 


De wetenschap draait primair op nieuwsgierigheid en onzekerheid. Zoeken naar antwoorden van dingen die we niet begrijpen. Dat is zo in elke tak van de wetenschap. En dat was honderd jaar geleden zo, dat is nu zo en dat zal altijd zo blijven. In de vorige aflevering hebben we met de ontdekking van het Higgs boson namelijk wel het randje van de kennis bereikt, maar als ik met een schuin oog naar de lijst van open vragen kijk is duidelijk dat het Standaard Model waar ik de afgelopen afleveringen zo hoog van opgaf absoluut niet het laatste woord is wat betreft de werking van de natuur. Dat staan op de rand van de kennis kun je het best voorstellen alsof je in een donkere kamer bent waarin een lamp hoog boven je alleen een cirkel van de vloer zichtbaar maakt. In deze aflevering gaan we het niet hebben over dingen die we al weten, maar juist over de dingen die we niet weten. We gaan dus niet zelfvoldaan vanaf de rand naar het midden van de verlichte cirkel kijken om te vertellen wat we daar allemaal voor moois zien. We draaien ons juist om en kijken samen het donker in en fantaseren over al het moois dat daar nog op ons ligt te wachten.

Het onderzoeken van de natuur en het steeds verder verfijnen van ons beeld over hoe de natuur werkt is interessant, maar het draait uiteindelijk om de momenten waar het juist niet lekker past. Het moment dat je iets ziet dat in tegenspraak is met de bestaande natuurwetten. Dingen die helemaal niet mogen, of niet kunnen, dingen die je niet verwacht … en die toch gebeuren. Als we een patroon zien dat niet voorspeld wordt en waar dus wel iets achter moet zitten. Sommige van deze anomalieën zijn als het dorpje van Asterix en Obelix waarvan het maar niet lukt om het te veroveren. Verklaringen bedenken vereist creativiteit en gaat vaak samen met de introductie van nieuwe concepten, nieuwe principes, nieuwe krachten of nieuwe deeltjes. En dat is nog helemaal niet zo makkelijk. Het vraagt een enorme creativiteit, talent en durf om een schets te maken van een wereld die nog niemand heeft gezien. En van al die ‘kaarten van de nieuwe wereld’ die worden bedacht kan er natuurlijk op zijn hoogst maar één waar zijn. Maar ja, welke? 

Wat we wel zeker weten is dat er genoeg dingen zijn die we nog niet weten. Dat zijn de problemen en raadsels waar ik en mijn collega’s van wakker liggen. Dat vertelt ons dat er nog enorm veel te ontdekken is daar in dat donker buiten die verlichte cirkel. Neem bijvoorbeeld het probleem van donkere materie. Want hoewel we vaak pretenderen dat we precies weten waar alles in het heelal uit op is gebouwd (sterren, planeten, gaswolken, zwarte gaten etc.), weten we ook dat voor elke kilo die we kennen er zo’n vijf kilo van spul, stof, ‘iets’ is dat we niet kennen. En omdat we niet weten wat het is noemen we het maar ‘donkere materie’. Het is een vreemde situatie, want het betekent dat we echt het overgrote deel niet kennen. Wat het extra interessant maakt is dat we weten dat het niet een van de deeltjes is die we al kennen. Maar ja, wat is het dan wel? 

En als we het over onzichtbare massa hebben, dan moet ik ook maar gelijk doorpakken en eerlijk bekennen dat we de helft van het heelal kwijt zijn. Er is namelijk geen anti-materie in het heelal te vinden. En dat is vreemd, want in onze theorie zijn materie en antimaterie altijd keurig in evenwicht. Als we op cern een nieuw deeltje maken, dan wordt er ook altijd een antideeltje gemaakt. Vijf deeltjes, dan ook vijf anti-deeltjes etc. Maar waar is dan die anti-materie dan gebleven? Was er bij de oerknal dan misschien toch een klein overschot van materie, of gedragen ze zich toch niet pre-cies hetzelfde. Of zijn we de helft gewoon ‘kwijt’? Belangrijk om te weten, want zonder die asymmetrie was ook alle materie verdwenen en waren we er niet eens geweest.

Naast het probleem van de donkere materie en de verdwenen anti-materie zijn er ook nog de meer existentiële ‘waarom’-vragen. In het Standaard Model hebben alle deeltjes keurig hun plek, maar waarom zijn er eigenlijk drie families van deeltjes? Waarom niet gewoon ééntje? Daarmee kun je immers alle atomen maken, dus waar heb je de rest dan nog voor nodig? En over het Higgs deeltje gesproken: we weten nu dat deeltjes massa hebben, maar waarom hebben ze de massa die ze hebben? Er is geen enkel mechanisme dat dat patroon verklaart, maar iets moet die massa’s toch gezet hebben.

Hoewel we nog geen antwoorden hebben, hebben we de afgelopen jaren natuurlijk niet stilgezeten. We hebben nagedacht over mogelijke verklaringen (nieuwe deeltjes, nieuwe krachten en nieuwe fenomenen) en hebben experimenten bedacht om die te onderzoeken: Zoals hopelijk al duidelijk is geworden zijn wij wetenschappers een enorm optimistisch volkje en we zijn er dan ook heilig van overtuigd dat we in de komende jaren de antwoorden gaan vinden op een aantal van de grote vragen. Nederland is een belangrijke speler en we doen mee met onderzoek op de gekste plekken: bij het onderzoek naar kosmische neutrino’s vanaf de bodem van de Middellandse Zee, bij experimenten bij de deeltjesversneller in Genève en de zoektocht naar zoeken naar de minieme signalen van de zwaartekrachtsgolven geproduceerd door botsende zwarte gaten en neutronensterren.

We kunnen uren praten over de verschillende ideeën, maar ik denk dat het verstandig is om te kiezen voor een insteek waarbij we focussen op één onderwerp. Ik kan me goed voorstellen dat je ook meer zou willen weten over extra ruimte-dimensies, het samensmelten van krachten of het bestaan van een spiegelwereld, maar dat kunnen we op een ander moment doen. Nu zoomen we in op een van de meest prangende vragen: het mysterie van de donkere materie.

Er zweeft dus, blijkbaar, meer materie in het heelal rond dan we kunnen zien (de donkere materie) en de vraag of dit een nieuw deeltje is of dat het toch anders zit is, is een van de grootste open vragen in de natuurkunde. 

Een van de aanwijzingen dat er iets niet klopt is bij de rotatie van sterren in sterrenstelsels. Dankzij Newton weten we al honderden jaren precies hoe zware objecten bewegen met als beroemdste voorbeeld het draaien van de planeten om de zon in ons eigen zonnestelsel. Zelfs als je de zon niet zou kunnen zien zou je uit de draaiing van de planeten kunnen afleiden dat de planeten om iets zwaars heen draaien en ook hoe zwaar dat object is. Triviaal en die methode zou ook net zo goed moeten werken bij het draaien van sterren in sterrenstelsels. Maar tot ieders verbazing bleek dat er helemaal niets van klopte. We kunnen alle sterren in het midden van de sterrenhoop goed zien, maar die hebben samen niet genoeg massa om de grote snelheid van de sterren aan de rand te verklaren. Er moet dus massa zijn die we niet kunnen zien.

De laatste jaren is er nog meer indirect bewijs gekomen. Het eerste element dat gemaakt werd in het vroege heelal was waterstof. Dat is vervolgens, onder invloed van zwaartekracht, langzaam gaan samenklonteren tot objecten als sterren, planeten en grotere structuren. Daar is verder niets magisch aan, maar volgens computersimulaties gaat dat samenklonteren veel en veel langzamer dan we zien in ons eigen heelal. Maar, en nu komt het, als je in je simulaties net doet of die donkere materie er is, dan trekken dingen elkaar meer aan (er is immers meer massa) en dan blijkt dat je in de simulaties optijdschalen van de leeftijd van ons heelal wel precies dezelfde structuren terugvindt als die we nu zien. Dit is dus een extra aanwijzing dat er donkere materie aanwezig is in ons heelal

Even voor de duidelijkheid: dit is dus niet iets dat niet helemaal klopt, maar er is iets dat helemaal niet klopt. Dus, nog een keer expliciet: er is in het heelal blijkbaar ongeveer vijf keer meer materie dan we kunnen zien. En al die onbekende materie is niet opgebouwd uit de bouwstenen en deeltjes die we hier op aarde kennen. Maar wat is het dan wel? 

De oplossing lijkt zo makkelijk: bedenk-gewoon-een-nieuw-deeltje! Dat is toch precies wat jullie deeltjesonderzoekers de hele dag doen toch? Tsja, was het maar zo makkelijk. Dit nieuwe deeltje moet niet alleen massa hebben, elektrisch neutraal zijn en bijna geen interactie hebben met gewone materie (dat zijn de eigenschappen die we indirect hebben achterhaald), maar net zoals je bij een puzzel er niet ‘zomaar’ een extra puzzelstukje bij kan stoppen als de puzzel al af is, geldt dat ook voor een extra deeltje dat ingepast moet worden in het Standaard Model. 

Alle aanwijzingen voor het bestaan van donkere materie, hoe sterk ze ook zijn, zijn indirect en over de hele wereld is er een race ontstaan tussen wetenschappers om als eerste het directe bewijs van het bestaan van een donkere materie deeltje aan te tonen. Een van de eerste opties waar je misschien aan denkt nu je dat verhaal over het Higgs-deeltje kent is dat we misschien zelf donkere materiedeeltjes kunnen maken in de deeltjesbotsingen op CERN. Goed idee en daar hebben we ook zeker naar gezocht, maar helaas is er geen enkele aanwijzing dat we die deeltjes ook gemaakt hebben.

 Maar niet getreurd. Naast het zelf produceren van de donkere materiedeeltjes in het laboratorium zijn er ook andere manieren om ze te detecteren. Als er namelijk echt donkere materie in het heelal rondzweeft dan is het waarschijnlijk dat het zich ook in ons zonnestelsel bevindt. En omdat we als aarde door de ruimte vliegen, zullen we continu door die zwerm van donkere materiedeeltjes heen bewegen. Daar merken we verder niks van omdat donkere materie bijna geen interactie heeft met gewone materie en dus door steen heen beweegt op dezelfde manier als wij door de lucht. En toch is er een kans dat zo’n deeltje, heel af en toe, een atoomkern raakt. Die kans is echt extreem klein, maar ja, als er een kans is, hoe klein ook, dan zullen experimenteel natuurkundigen iets bedenken om er toch iets van te maken. 

En dat hebben ze gedaan. Het plan klinkt enorm simpel, maar is onwaarschijnlijk complex om uit te voeren. Ik neem je even mee in de gedachtengang. Als een atoom geraakt wordt door zo’n deeltje waar de donkere materie uit bestaat dan ontstaan er elektrisch geladen brokstukken die met behulp van  een elektrisch veld naar een speciale detector gestuurd worden waar ze een klein stroompje veroorzaken. Zo kunnen we donkere materie dus ‘zien’. De kans dat een deeltje botst, hangt samen met de grootte van de atoomkern dus je wilt grote atomen gebruiken. Zware atomen. Maar ja, je wilt ook dat de brokstukken door de stof heen kunnen bewegen op weg naar de detector en dat kan weer alleen in een gas of een vloeistof. Gelukkig bestaat er in de natuur een compromis en collega’s van mij hebben besloten vloeibaar xenon te gebruiken. Een vat met ongeveer tweeduizend kilo om precies te zijn. Met zo’n detector (het vat met xenon) hoeft je in principe alleen maar te wachten om te kijken hoeveel botsings-signalen je ziet terwijl de aarde door die zwerm donkere materie vliegt. Als je uitrekent hoeveel botsingen je verwacht te zien dan zie je vrij snel dat het er zelfs in het gunstigste geval maar een handvol per jaar zullen zijn. Dat kan genoeg zijn, maar natuurlijk alleen onder de voorwaarde dat je ab-so-luut zeker bent dat het geen vals signaal is. Daarmee bedoel ik botsingen van deeltjes die we al kennen, bijvoorbeeld door natuurlijke radioactiviteit die voorkomt in de rotsen en het metaal van het vat waarin het vloeibare xenon bewaard wordt of door de kosmische straling uit het heelal. 

Het eerste probleem kun je omzeilen door ultra-hoge kwaliteitseisen te stellen aan het materiaal dat onderdeel vormt van de detector. Een verkeerde lijm die toevallig een spoortje radioactieve stoffen bevat kan al funest zijn voor het slagen van het experiment. Lastig, maar dat heb je zelf in de hand. Een lastiger probleem is de straling die vanuit de ruimte op de aarde botst. Om je experiment daarvoor af te schermen zou je eigenlijk honderden meters steen nodig hebben. Onmogelijk dus. Nou ja, onmogelijk? Heel lastig, maar niet onmogelijk. Je zou ook honderden meters onder de grond een experimentele ruimte kunnen maken om dat vat neer te zetten. Dit kan niet in Nederland zelf, maar er zijn op de wereld genoeg plekken waar dat wel kan; verlaten mijnen of bergen waar we een tunnel doorheen hebben geboord. Het klinkt als iets uit een James Bond film, die ruimtes zo groot als een kathedraal uitgehakt in de rots onder een berg, maar ze bestaan echt. Het valt bijna niemand op, maar als je door de Frejus-tunnel in Frankrijk of in de buurt van Rome bij Gran Sasso door de tunnel rijdt, dan is er in het midden van de tunnel een korte vluchtstrook met een slagboom en een poort die toegang geeft tot een weg die iets dieper de berg in leidt. Een weg die toegang geeft tot een ondergronds experimenteel laboratorium; een plek waar je afgeschermd van de kosmische straling onderzoek kunt doen en toch toegang hebt tot computerapparatuur, elektriciteit, gassen, koeling, enzovoort. Dat is dan ook de plek waar mijn collega’s hun vat hebben neergezet en waar ze op zoek zijn naar dat signaal van een botsend donkere-materiedeeltje. Nederland heeft een belangrijk aandeel in dat experiment en als we inderdaad door een zwerm donkere materiedeeltjes vliegen en als de massa en eigenschappen van dat deeltje een beetje gunstig zijn dan heeft dit type experiment een goede kans om het te vinden. Dat zou fantastisch zijn. Niet alleen omdat we dan eindelijk alsmensheid weten wat donkere materie is, maar ook omdat ik het mijn collega’s zo zou gunnen omdat ik weet hoe hard ze eraan werken om het tot een succes te maken. 

We zijn bijna aan het eind van onze serie gekomen. Ik heb je in grote stappen meegenomen in de zoektocht naar de elementaire bouwstenen van de natuur. We hebben gezien dat het een avontuur is met wetenschappers vanuit de hele wereld en dat technologische ontwikkelingen ons steeds weer in staat hebben gesteld om dieper en dieper door te dringen in de materie. De natuur heeft ons bij elke nieuwe stap steeds meer van haar geheimen prijsgegeven en ons steeds weer verbaasd met de meest wonderlijke fenomenen. Veel van de inzichten hebben via toepassingen ook weer hun weg teruggevonden naar de samenleving. 

Er is nog zoveel te ontdekken en mijn collega’s en ik denken elke dag na over nieuwe detectoren en nieuwe manieren om nog verder door te dringen in de materie. Op zoek naar antwoorden. Die zoektocht stopt nooit. Naast onderzoek doen proberen we jullie te vertellen over alles wat we ontdekt hebben en de dingen waar we nog van dromen. Die verbinding tussen samenleving en de wetenschap lukt dankzij kranten, podcasts, social media en mensen als Jim Jansen die met het tijdschrift New Scientist en hun events wetenschappers een podium bieden om over hun onderzoek te vertellen. De reis is dus nog lang niet ten einde. En omdat we een groot aantal jonge wetenschappers hebben boordevol ideeën en energie stappen we elke dag weer vol goede moed vanuit de cirkel van de bestaande kennis het donker in. Op zoek naar verborgen werelden en de antwoorden op de grote vragen. Denk er zelf ook eens over na, want we kunnen alle hulp gebruiken. Avontuur!

Reis naar de kern | 5. Terra Incognita

Waar is alle materie uit opgebouwd, en welke wetten volgen die deeltjes om alles op aarde en de rest van het heelal vorm te geven? Wat is antimaterie, en wat heeft quantumtheorie daarmee te maken? In Reis naar de kern neemt Ivo van Vulpen, deeltjesonderzoeker bij CERN in Genève en verbonden aan de Universiteit van Amsterdam, je mee langs al deze grote vragen. Je denkt misschien dat dat ver van je normale belevingswereld afstaat, maar al deze inzichten worden dagelijks gebruikt. Van de GPS op je telefoon, tot de scanners in ziekenhuizen.. 

Over Reis naar de Kern

Na Terug naar de Oerknal met Govert Schilling en Baan door het Brein met Iris Sommer is het nu tijd voor een nieuw avontuur: Reis naar de kern. Een fascinerende duik in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de allergrootste vragen worden beantwoord. In vijf afleveringen zoomen we in op de wereld van het atoom, de quantummechanica, antimaterie en de ontdekking van het Higgs Boson.

Reis naar de Kern is een podcast van BNR. Tekst en presentatie: Ivo van Vulpen. Concept: Connor Clerx. Eindredactie: Annick van der Leeuw. Montage: Gijs Friesen en Connor Clerx. Sounddesign en mixage: Gijs Friesen.

Over Ivo 

Ivo van Vulpen is als deeltjesfysicus werkzaam aan de Universiteit van Amsterdam, het Nationaal Instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) en hij doet onderzoek bij de deeltjesversneller (Large Hadron Collider) bij CERN in Genève. Hij is hoogleraar Wetenschapscommunicatie, in het bijzonder betreffende de natuurkunde, aan de Universiteit Leiden. In 2018 verscheen zijn eerste boek: De melodie van de natuur.

Lees ook dit artikel op BNR.nl

Transcript aflevering

Hoewel die reis naar de wereld van het allerkleinste een avontuur is met een enorm rijk verleden (die ons veel nieuwe inzichten en toepassingen heeft gebracht) is het belangrijk om niet té lang in het verleden te blijven hangen. Laten we de stap maken naar het nu, naar het onderzoek van de 21e eeuw. Wat zijn bijvoorbeeld de laatste grote ontdekkingen geweest en wat zijn de raadsels waar wij als wetenschappers op dit moment van wakker liggen. In de vorige aflevering hebben we het Standaard Model leren kennen, dat bouwwerk dat zowel  alle bouwstenen als natuurkrachten bevat. Het blootleggen hiervan is een  fe-no-me-nale prestatie, maar hoe mooi en stevig het Standaard Model ook leek, het bleek helemaal geen stevig fundament te hebben en bovendien was het alsof het gebouw er wel stond, maar er geen cement tussen de stenen zat.

In deze vierde aflevering van onze reis gaan we op zoek naar dat onzichtbare cement dat de boel bij elkaar houdt. Het blijkt inderdaad te bestaan. Het draait allemaal om het beroemde Higgs-deeltje. Wat maakte dit idee nou zo bijzonder dat wetenschappers van over de hele wereld, in dit geval bij cern, het Europees centrum voor deeltjesfysica, er samen naar op zoek zijn gegaan. En waarom heeft het meer dan 60 jaar geduurd om het te vinden? Natuurlijk was het mooi dat het een Nobelprijs opleverde, maar nog belangrijker voor ons als wetenschappers was dat het ervoor zorgde dat het Standaard Model vanaf dat moment wél stevig stond. Hierdoor veranderde niet alleen de manier waarop we naar de natuur keken, maar het zorgde er ook voor dat we ’s nachts niet meer wakker lagen van de vraag: ‘Hoe zit het nou eigenlijk echt?’.

Om het probleem en de oplossing van Peter Higgs beter te begrijpen moeten we eerst kort van het hoofdpad af. We slaan een klein zijpaadje in zodat ik even kort wat kan vertellen over de manier waarop natuurkundigen hun theorieën vormgeven. Als je probeert het gedrag van mensen te begrijpen en te voorspellen dan kom je er snel achter dat dat enorm complex is. Menselijk gedrag hangt van ontzettend veel dingen af zoals leeftijd, geslacht, uiterlijk en karaktereigenschappen, maar ook van de geschreven, en ongeschreven, regels van de cultuur van het bedrijf of land waarin een ontmoeting plaatsvindt. Psychologie is een ingewikkeld en belangrijk vak. Wij natuurkundigen doen hetzelfde, maar dan met de natuur in plaats van de mens. En wij hebben het veel makkelijker dan de psychologen omdat de deeltjes maar een klein aantal eigenschappen hebben en de natuurwetten universeel en onveranderlijk zijn. De taal die wij gebruiken om de regels en het verhaal van de natuur te  beschrijven bestaat niet uit woorden en zinnen, maar uit wiskundige formules. Het grote voordeel daarvan is dat het een universele taal is zonder ambiguïteiten. Tegelijkertijd is het ook een taal die weinig mensen buiten de wetenschap beheersen. En dat is jammer, want daarmee blijft de betekenis en schoonheid van het verhaal verborgen. Een voorbeeld: als ik je een Japanse tekst laat zien en je vraag of het een regel is uit de Japanse belastingalmanak, een regel uit een vertaald gedicht van Pablo Neruda of een uit het kinderboek Nijntje aan zee dan zeg je waarschijnlijk ‘Die vraag kan ik niet beantwoorden, want ik kan geen Japans schrift niet lezen.’ Tegelijkertijd weet je ook dat Japanse schoolkinderen de vraag wel kunnen beantwoorden en de regel zonder probleem voor je kunnen vertalen. In het geval van Nijntje is zo’n simpele vertaling genoeg, maar als het een gedicht of verhaal is dan is er meer nodig om door te dringen tot de essentie van wat er verteld wordt: context, cultuur, inzichten. Hetzelfde geldt voor formules. Ook die komen in allerlei soorten en maten: van trivialiteiten tot formulering met onpeilbare dieptes en verborgen inzichten. Om een voorbeeld te geven, pas ja-ren nadat Einstein zijn formules over de zwaartekracht had opgeschreven bleek dat het heelal altijd zou uitdijen en dat er zwarte gaten zouden moeten bestaan. Ook bij de formules van het Standaard Model werd er iets ongemakkelijks zichtbaar.

Meer concreet: het bleek dat volgens de theorie deeltjes geen massa mochten hebben. En dat is een probleem. Een heel groot probleem. Deeltjes hebben namelijk gewoon wel massa. Dat zien we elke dag als we op de weegschaal staan, maar iets breder: als deeltjes geen massa zouden hebben dan waren ze in ons heelal nooit samengeklonterd onder invloed van de zwaartekracht tot de sterren en planeten die we nu hebben. En dan waren wij er ook zelf nooit geweest, want in zo’n massaloze wereld beweegt alles met de lichtsnelheid en kunnen atomen niet bestaan. Om een lang verhaal kort te maken: De Britse natuurkundige Peter Higgs ontdekte dat er een manier was om de theorie iets aan te passen zodat deeltjes toch massa konden hebben. Een oplossing die het bouwwerk stevig bij elkaar hield: het onzichtbare cement. 

De essentie van zijn idee, dat bekend staat als het Higgs mechanisme, is dat de ruimte, het hele heelal dus, gevuld is met iets dat we als mensen niet kunnen ruiken, zien, proeven, horen of voelen, maar waarvan deeltjes wél merken dat het er is. Voor deeltjes is dat Higgs veld net als wat water is voor vissen. Het is overal om ze heen en sommige vissen bewegen makkelijker door het water dan andere. Dat is ook precies wat sommige deeltjes licht maakt en andere zwaar. Een mooie oplossing voor het probleem van massa, …. maar ja, hoe gingen we bewijzen dat dit ook echt waar is. Je kunt natuurlijk van alles verzinnen. 

De zoektocht naar dit zogenaamde Higgs-veld dat in de lege ruimte verborgen zou zitten had enorm veel voeten in de aarde. Een voorspelling was dat als dit veld inderdaad bestond er in deeltjesversnellers naast alle bekende deeltjes heel af en toe nog één ander deeltje geproduceerd zou worden. Een deeltje met een unieke vingerafdruk. Als dat zo is dan zouden we dat wel kunnen vinden natuurlijk, want laat deeltjes zoeken in botsingen nou net onze core business zijn. Toch zou het nog zo’n vijftig jaar duren voor alle ingrediënten aanwezig waren: deeltjesversnellers met genoeg energie, detectieapparatuur die nauwkeurig genoeg was en, niet onbelangrijk, het samenwerken van duizenden wetenschappers vanuit de hele wereld. Zo’n plek bestaat en rond 2010 viel alles op zijn plek. 

Dé plek waar deeltjesfysici van over de hele wereld al meer dan vijftig jaar samenkomen om onderzoek te doen naar de wereld van het allerkleinste is cern, het Europees onderzoekscentrum voor de deeltjesfysica in de buurt van Genève. Het is iets meer dan een vierkante kilometer groot en ligt tussen de stad en de laatste uitlopers van het Jura-gebergte. Een plek met een haast mythische status, maar het is tegelijk ook gewoon een Science Park zoals er zoveel zijn in de wereld. Een plek waar elk jaar honderden promovendi opgeleid worden en waar wetenschappers van over de hele wereld samenkomen om, vrij van politiek, samen te werken en te overleggen.

Zelf was ik vrij snel verkocht na mijn eerste kennismaking met cern. Ik werd geselecteerd als cern-zomerstudent. Een life changing experience waarbij mijn wereld in één klap groeide van Utrecht en Nederland naar de hele wereld. Elke zomer komen er namelijk vanuit elke land dat aangesloten is bij CERN een paar studenten drie maanden naar Genève om daar les te krijgen van de toppers in het vakgebied en om mee te draaien in een ‘echte’ onderzoeksgroep. Ineens werkte ik in de groep van een vrolijke Noor met een Italiaanse technicus en zat ik in de collegebanken en bij de lunch met studenten uit Noorwegen, Griekenland, Zweden en Portugal warm te eten: Espen, Georgios, Anna en João: de wereld in het klein. Ik vond het schitterend! Studenten die net als ik ook enorm van dat ene stukje natuurkunde hielden waardoor de culturele en taalverschillen als sneeuw voor de zon verdwenen. Voor mij is cern de belichaming van de ongekende mogelijkheden als we wereldwijd samenwerken aan een gedeelde droom. Het heeft daarmee een rol die groter is dan alleen het onderzoek zelf en ik ben altijd enorm trots dat ik daar deel van uit mag maken.

Om het Higgs deeltje te kunnen maken, als het überhaupt bestaat natuurlijk, moet je met enorm veel energie deeltjes op elkaar botsen. En dat komt goed uit, want op CERN staat de krachtigste deeltjesversneller op aarde: de Large Hadron Collider, de LHC. Het is een 27 kilometer lange cirkelvormige versneller in een tunnel 100 meter onder de grond. Die tunnel kun je qua grootte goed vergelijken met een metro-tunnel. De protonen zelf draaien in wolkjes in een kleine buis hun rondjes: één buis waarin de protonen linksom draaien en één waarin de protonen rechtsom draaien. Er is een klein stukje waar de protonen een klein zetje krijgen en de rest van de tunnel staat bomvol magneten die zorgen dat de magneten keurig een rondje draaien in hun buis om vervolgens weer terug te komen bij de plek waar we ze nóg een zetje kunnen geven. Als je in die tunnel staat zie je die buizen trouwens zelf niet omdat ze verstopt zitten in grote supergeleidende magneten die allemaal afgekoeld moeten worden tot bijna het absolute nulpunt.

Door de tegen elkaar in draaiende wolkjes protonen op sommige plekken in de ring door het oog van een naald te sturen moeten ze haast wel botsen. Het is op die punten dat er nieuwe deeltjes gemaakt worden en het zal jullie niet verbazen dat we op die plekken grote ondergrondse hallen hebben uitgegraven om er onze grote fototoestellen te plaatsen. Ik heb eerder verteld dat we van alle brokstukken die de detector bereiken kunnen achterhalen welk deeltje het was, welke richting hij op vloog en welke energie hij had. We gebruiken die brokstukken vervolgens om, net als paleontologen met dinosaurussen, de zware kortlevende deeltjes die in de botsing gemaakt zijn te reconstrueren. Elk met hun eigen vingerafdruk. In ons geval dus op zoek naar tekenen van het Higgs-deeltje.

 Zo’n detector om botsingen te bekijken wordt niet door CERN zelf gemaakt trouwens. CERN zelf zorgt alleen voor de versneller en de infrastructuur en het is aan samenwerkingsverbanden tussen universiteiten en onderzoeksinstituten van over de hele wereld om samen zo’n experiment vorm te geven. Het experiment waar ik zelf aan werk heet ATLAS. Het is een van de experimenten die het HIggs deeltje ontdekt hebben en we zijn druk bezig om alle eigenschappen van het HIggs deeltje in kaart te brengen. Zelf ben ik aan het uitzoeken hoe lang het HIggs deeltje zelf eigenlijk leeft. En geloof het of niet, maar vandaag, op de dag dat we dit opnemen, publiceren we ons resultaat, maar dat is weer een ander verhaal. Het ATLAS experiment is een samenwerking tussen een paar duizend wetenschappers en dat zoiets überhaupt bij elkaar blijft is op zichzelf al een klein wonder. Waar een groot bedrijf vaak sterk hiërarchisch georganiseerd is om efficiënt te kunnen opereren moet hier een organisatie van tweeduizend hoogopgeleide mensen opgebouwd worden die in de basis bestaat uit groepen van tien tot twintig personen. Het gaat om een hoop geld en we moeten goed verantwoorden, zowel naar buiten als voor onszelf, hoe we gemeenschappelijke keuzes maken over de technologie en hoe we de data zo goed mogelijk analyseren. Wie wordt de baas en welke bevoegdheden heeft die persoon? cern houdt bij het uitbesteden van werk aan de industrie de verdeling over de landen goed in de gaten zodat die ook profiteren en ook in de experimenten zelf is balans het sleutelwoord. 

Ook de sociologie is niet triviaal. Want hoe ga je om met cultuurverschillen. Hoe zorg je dat een Japanse promotiestudent ideeën kan uitwisselen en samen kan werken met een senior Duitse professor en hoe laat je mensen ‘constructief’ samenwerken in een zeer competitieve omgeving? Hoe zorg je dat elk land ook een eigen zichtbaarheid en identiteit houdt en hoe ga je de leiderschapsposities invullen? Een strakke hiërarchie is ook niet altijd de meest geschikte opzet. Bij veel deelonderzoeken gaan twee of meer groepen afzonderlijk aan de slag. Dat lijkt zeer inefficiënt, en dat is het inderdaad ook wel, maar door parallel te werken worden fouten vermeden en is zorgvuldigheid gewaarborgd omdat je elkaar zo controleert. Er ontstaan op die manier ook verschillende oplossingen voor specifieke problemen en komen we samen sneller vooruit. Het maakt ook dat er ruimte is voor mensen om een gek idee na te jagen. En vreemd genoeg zijn het vaak die out-of-the-box ideeën die eigenlijk helemaal niet kunnen, die een doorbraak geven en ook weer interessant zijn voor de industrie. Het zijn nieuwe technieken die commercieel vaak nog niet interessant zijn, maar wel een uitdaging vormen en zo een katalysator zijn voor nieuwe ideeën en projecten.

Maar hoe vind je dat Higgs-deeltje dan precies? Wat is dan die unieke vingerafdruk waar je naar op zoek bent in die botsingen? De voorspelling zegt dat het Higgs-deeltje, als het bestaat, heel kort leeft en daarna uit elkaar valt in andere deeltjes. Dat kan op verschillende manieren en onze strategie was om ons te richten op twee vrij unieke en zeer duidelijk herkenbare signalen: de specifieke gevallen waarin het Higgs-deeltje uit elkaar valt in vier muon deeltjes of twee lichtdeeltjes. Hoewel dit allebei vrij zeldzaam is, zijn deze makkelijk te herkennen in de detector tussen de miljarden andere botsingen. De kans dat er een Higgs-deeltje gemaakt wordt in een botsing is enorm klein, dus je zult veel botsingen moeten bekijken.

Het lijkt zo makkelijk als ik zo opschrijf: zoek naar botsingen met vier muon deeltjes of twee lichtflitsjes en bekijk of je er meer ziet dan je zou verwachten van de voorspelling waarin het Higgs-deeltje niet bestaat. En als je hebt vastgesteld dat er echt een overschot is, overtuig jezelf er dan van dat die ‘extra’ botsingen inderdaad van een Higgs-deeltje afkomstig zijn. Maar dat is nog best tricky. Het aan elkaar knopen van de signalen van de verschillende detectoren, het selecteren van de juiste botsingen en de interpretatie ervan is een karwei dat honderden deeltjesfysici meer dan tien jaar heeft beziggehouden. Zo gebeuren er per seconde zo’n miljard botsingen in de detector, maar je kunt er elke seconde maar zo’n 1000 op de computer opslaan. Hoe maak je elke seconde weer de beslissing welke foto’s je wel en niet bewaart? En hoe zeker weet je dat je geen fout maakt? En hoe zeker weet je eigenlijk dat je echt lichtdeeltjes zit te tellen en niet andere deeltjes die er heel erg lijken en duizenden malen vaker geproduceerd worden. Net als de technologie pusht dit ook de ontwikkeling op het gebied van computertechnologie, algoritmes, data-transfer en data-analyse. De gedistribueerde computing die we nu zo normaal vinden een sterk fundament heeft op CERN en het is niet voor niets dat fabrikanten maar al te graag samenwerken met onze tak van wetenschap bij het testen van nieuwe technologie.

In de eerste twee jaar dat de Large Hadron Collider draaide zochten we in de botsingen allerlei combinaties van deeltjes. Werkte onze apparatuur wel zoals we dachten en zagen we de deeltjes terug waarvan we wisten dat we ze zouden maken. Maar de meeste aandacht ging natuurlijk uit naar botsingen met vier muonen of twee fotonen. Het was echt fantastisch toen we merkten dat het leek of er een overschot was aan deze speciale botsingen, al was het wel een zenuwslopende periode. Je moet wachten tot je zeker bent van je zaak (een onterechte claim kost je namelijk je wetenschappelijke reputatie), maar je weet dat er een concurrerend experiment ook druk op zoek is en net zo graag als jij de ontdekking wil claimen. En echt niemand herinnert zich de nummer twee, zeker niet als er onsterfelijkheid op het spel staat.

De laatste weken in aanloop naar het grote deeltjes-congres van 2012 waren enorm hectisch. Een van de ontwerpers van het programma dat het mogelijk maakte om alle gegevens te verwerken en te bepalen hoe waarschijnlijk het nou is dat er nou een Higgs-deeltje verborgen zit in de data was mijn kantoorgenoot op het Nikhef hier in Amsterdam, Wouter Verkerke. Hoewel weinig mensen het geloven was het resultaat pas een paar dagen voor de bijeenkomst bekend. Het signaal was er en gaf een consistent beeld. En ook onze concurrent, het CMS experiment, trok dezelfde conclusie: Peter Higgs had gelijk! De lege ruimte was inderdaad niet leeg. Er was een Higgs-veld dat op elke plek in de ruimte aanwezig was en dat deeltjes hun massa gaf.  Het mooist werd deze nieuwe realiteit omschreven door Robbert Dijkgraaf die zei: ‘Het is als een vis die ontdekt dat hij in het water leeft’. Kortom, we did it!

Een zoektocht van meer dan vijftig jaar afsluiten met de ontdekking van het Higgs deeltje zelf was echt geweldig en het was een onwaarschijnlijk voorrecht om hier deel van uit te mogen maken. De dag na de ontdekking, werden alle natuurkundigen natuurlijk in een roes wakker, maar al snel begon dat wel bekende en irritante knagende gevoel weer op te spelen dat wetenschappers zo eigen is. Want het Higgs-mechanisme verklaart dan wel hoe deeltjes massa krijgen, maar waarom de massa’s zijn wat ze zijn en zo volledig verschillend is een compleet raadsel. Na zo lang geobsedeerd te zijn geweest door de jacht op het Higgs-boson zouden we bijna vergeten dat het lijstje van onbeantwoorde vragen en mysteries in de natuur nog zo veel langer was dan het wel/niet bestaan van het Higgs-boson.   

Reis naar de kern | 4. De ontdekking van het Higgsboson

Waar is alle materie uit opgebouwd, en welke wetten volgen die deeltjes om alles op aarde en de rest van het heelal vorm te geven? Wat is antimaterie, en wat heeft quantumtheorie daarmee te maken? In Reis naar de kern neemt Ivo van Vulpen, deeltjesonderzoeker bij CERN in Genève en verbonden aan de Universiteit van Amsterdam, je mee langs al deze grote vragen. Je denkt misschien dat dat ver van je normale belevingswereld afstaat, maar al deze inzichten worden dagelijks gebruikt. Van de GPS op je telefoon, tot de scanners in ziekenhuizen.. 

Over Reis naar de Kern

Na Terug naar de Oerknal met Govert Schilling en Baan door het Brein met Iris Sommer is het nu tijd voor een nieuw avontuur: Reis naar de kern. Een fascinerende duik in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de allergrootste vragen worden beantwoord. In vijf afleveringen zoomen we in op de wereld van het atoom, de quantummechanica, antimaterie en de ontdekking van het Higgs Boson.

Reis naar de Kern is een podcast van BNR. Tekst en presentatie: Ivo van Vulpen. Concept: Connor Clerx. Eindredactie: Annick van der Leeuw. Montage: Gijs Friesen en Connor Clerx. Sounddesign en mixage: Gijs Friesen.

Over Ivo 

Ivo van Vulpen is als deeltjesfysicus werkzaam aan de Universiteit van Amsterdam, het Nationaal Instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) en hij doet onderzoek bij de deeltjesversneller (Large Hadron Collider) bij CERN in Genève. Hij is hoogleraar Wetenschapscommunicatie, in het bijzonder betreffende de natuurkunde, aan de Universiteit Leiden. In 2018 verscheen zijn eerste boek: De melodie van de natuur.

Lees ook dit artikel op BNR.nl

Transcript aflevering

Tot de jaren dertig was eigenlijk niks aan de hand. De natuurkunde was vrij overzichtelijk. Weer overzichtelijk moet ik natuurlijk zeggen. In de vorige aflevering hadden we het over de atoomrevolutie in die eerste decennia van de 20e eeuw waarin het ons eindelijk lukte om door te dringen tot de wereld van het atoom zelf, die kleinste bouwstenen van alle elementen. Tot de verbazing van wetenschappers bleken alle atomen uit dezelfde drie basisbouwstenen opgebouwd te zijn: protonen en neutronen (die samen de atoomkernen vormden) en de elektronen. Van negentig elementen terug naar drie bouwstenen dus. Heerlijk simpel en overzichtelijk!

Alles op orde dus zou je denken. Maar toen gebeurde er iets waardoor we in één klap wisten dat we nog niet op de diepste laag van de kennis waren aangekomen en dat nog een onbekende wereld verborgen lag. In deze aflevering vertel ik jullie over deze verrassing en hoe het ons door ontwikkelingen in de techniek uiteindelijk wél lukte om het fundament van de natuur te bereiken. De neutronen en protonen bleken toen opgebouwd te zijn uit nog kleinere deeltjes, we leerden zelf deeltjes te maken in het laboratorium met behulp van deeltjesversnellers en ze te bestuderen met detectoren. Alles samen noemen we dat het Standaard Model en dat is tot op de dag van vandaag het beste beeld dat we hebben van de wereld op de allerkleinste schaal. En daar zitten gekke dingen bij hoor: deeltjes die dwars door de aarde kunnen vliegen bijvoorbeeld en magische dingen als anti-materie. 

Om deze stappen te begrijpen is het handig om je voor te stellen dat de ontdekking van het atoom net zoiets is aanspoelen op een onbekend eiland, waarna je, uit nieuwsgierigheid, gaat proberen dat eiland verder in kaart te brengen. Op het eiland bevindt zich een dicht oerwoud en terwijl je er steeds dieper en dieper in probeert door te dringen, bijvoorbeeld langs een rivier weet je niet of dat bos zich nog tientallen kilometers zo uit zal strekken en of er überhaupt nog wel iets anders te vinden zal zijn dan dezelfde bomen, vruchten en dieren die je van thuis kent. Maar als er dan ineens een bootje de rivier af komt zakken of als je een dier ziet dat je nooit eerder hebt gezien dan weet je gelijk dat je niet alleen bent en dat er meer dingen verborgen zijn. Precies zo'n situatie hadden we in de deeltjesfysica.

Tijdens het onderzoek naar atoomkernen en radioactiviteit bleek gek genoeg dat er ook een bron van straling aanwezig was in een ruimte als er helemaal geen radioactieve stoffen in de buurt waren. Het idee was dat dat veroorzaakt werd door radioactieve stoffen in de aarde zelf. Best logisch en dus ‘case closed’ zou je denken, maar dan heb je net even buiten de koppigheid van de natuurkundigen gerekend. Er is er namelijk altijd eentje die het zeker wil weten en die naar de top van de Eiffeltoren gaat om te kijken of daar inderdaad minder straling is of in een luchtballon stapt om nog hoger te meten. Dat is allebei echt gebeurd! En maar goed ook, want het bleek dat de straling helemaal niet afnam hoe hoger je kwam. het werd juist sterker. De straling kwam dus niet uit de aarde, maar uit de ruimte! Blijkbaar worden we op aarde blijkbaar dus gebombardeerd door deeltjes uit het universum. Die botsen hoog in de lucht op zuurstofatomen en produceren daar een soort lawine van deeltjes waarvan sommigen lang genoeg leven om het aardoppervlak te halen. Die deeltjes waren dus de bron van die mysterieuze straling waar we naar op zoek waren. Dat onderzoek naar deze zogenaamde kosmische stralen is nog steeds een belangrijk onderzoeksgebied, maar daar gaat het nu even niet om. Mensen onderzochten om welke deeltjes het nou precies ging door de sporen van de deeltjes zichtbaar te maken, net zoals de sporen die vliegtuigen hoog in de lucht produceren, en door te kijken hoe ze reageerden als ze op andere materialen botsten. Zoveel mogelijkheden waren er niet, want we kenden immers maar drie verschillende deeltjes. Tot hun verbazing zagen ze dat het deeltjes waren die wel elektrisch geladen waren, maar geen proton waren …. en ook geen elektron. Een nieuw deeltje dus dat ongeveer tweehonderd keer zo zwaar bleek te zijn als een elektron. Het kreeg een eigen naam: het muon. Een onverwachte gast. Niet echt nodig, maar dat maakt niet uit. Het is net als gekleurde hagelslag en dure sportwagens. Niet echt nodig, maar het maakt de wereld wel een stuk leuker.

Als kosmische stralen op dunne materialen vallen, blijken er nog veel meer nieuwe deeltjes te ontstaan. Sterker nog, een hele dierentuin vol nieuwe deeltjes. Fascinerend, maar het onderzoek was erg onhandig, want je was volledig overgeleverd aan wat de ruimte je gaf. Gelukkig lukte het ons dankzij twee technieken om zelf de regie in handen te krijgen: 1) de deeltjesversneller (om zelf deeltjes te kunnen maken in deeltjesbotsingen) en 2) de deeltjesdetector om alle deeltjes zichtbaar te maken die in die botsingen werden gemaakt. Dit zijn de twee elementen die we tot op de dag van vandaag nog steeds gebruiken om de natuur op de kleinste schaal te bestuderen. Alleen steeds een stukje geavanceerder.

Eerst de deeltjesversneller. Dat we zelf deeltjes kunnen maken is een cruciale ontdekking geweest. De bekende formule van Albert Einstein E=mc2 betekent namelijk niet alleen dat je massa kan omzetten in energie (dat was de basis van de kernenergie en het branden van de zon uit de vorige aflevering), maar het werkt ook de andere kant op; als je maar genoeg energie bij elkaar brengt kan je daarmee ook zelf massa creëren: nieuwe deeltjes dus. In een deeltjesversneller geven we deeltjes, bijvoorbeeld protonen, energie door ze een klein zetje te geven. Daarna gebruiken we magneten om ze af te buigen en ze door een holle buis in een heel grote cirkel weer terug te leiden naar de plek waar we ze een zetje gaven … om ze vervolgens opnieuw een duwtje te geven. Als je dat heel vaak herhaalt krijgen deeltjes een enorm hoge snelheid en energie en als je ze daarna op elkaar laat botsen kun je al die bewegingsenergie gebruiken om nieuwe deeltjes te maken. Het voordeel is dat we zo deeltjes in een gecontroleerde omgeving kunnen maken. De ontwikkeling van de deeltjesversnellers ging heel snel: steeds meer energie en steeds meer botsingen. Op dit moment is de krachtigste deeltjesversneller op aarde de Large Hadron Collider op CERN, het Europees centrum voor de deeltjesfysica.

Dan de deeltjesdetector. Om te begrijpen wat er in een botsing gebeurt is het cruciaal dat je de botsing kunt ‘fotograferen’. Dat is niet zo makkelijk, want ik zeg wel fotograferen, omdat we dat allemaal kennen uit onze eigen belevingswereld, maar een normale fotocamera kan alleen maar licht zien en helemaal geen andere deeltjes. De meeste deeltjes in de botsing leven trouwens ook veel te kort om te zien. We hebben een manier bedacht die je kunt vergelijken met die van het bestuderen van voetstappen in de sneeuw. Als ik je een foto laat zien van een spoor van voetstappen in de sneeuw dan vind je het vast gek als ik je vraag of het een auto, een konijn of een mens is geweest die deze sporen heeft achtergelaten. ‘Een mens natuurlijk’ zeg je dan. En als je de foto in meer detail bekijkt kun je vast nog veel meer achterhalen. Je ziet bijvoorbeeld of het één persoon was of twee,  of het een kind was of een volwassene en nog veel meer. In een deeltjesdetector doen we eigenlijk precies hetzelfde. Als een deeltje door een detector heen beweegt laat het daar ook een karakteristieke afdruk achter, net als die voetstappen in de sneeuw. Het gaat hier te ver om de details te bespreken, maar door deeltjes door verschillende detectielagen te laten bewegen, die elk een specifieke eigenschap vastleggen, kun je van alle deeltjes hun type, richting en energie vastleggen. En hoewel het strikt genomen niet klopt is het prima om er over na te denken als een ‘foto’ van de botsing. Dat doe ik zelf ook. Maar het is wel echt ingewikkeld. Er zijn een miljard botsingen per seconde en in elke botsing zijn vaak wel honderd(en) deeltjes. Ontzettend moeilijk dus, … maar niet onmogelijk als je samenwerkt met slimme en creatieve mensen van over de hele wereld.

Veel van de nieuwe deeltjes die gemaakt worden in de botsing leven veel en veel te kort om onze detector te bereiken. Het einde van het leven klinkt dramatischer dan het is, maar deeltjes kunnen uit elkaar vallen in een mix van andere deeltjes. Om toch iets te leren over die wereld die al lang verdwenen is, gebruiken we dezelfde truc die paleontologen gebruiken. De wereld die zij bestuderen, die van dinosauriërs, is ook al 65 miljoen jaar geleden verdwenen en toch verschijnen er wekelijks boeken over verschillende soorten dino’s en hun eigenschappen. Dat kan omdat er dingen bewaard zijn gebleven, hun botten, en door die weer in elkaar te zetten kunnen ze die wereld reconstrueren. Een super slim idee en wij deeltjesfysici doen hetzelfde.  Wij gebruiken de ‘stabiele’ deeltjes (de deeltjes die lang genoeg leven om ze te zien in onze detectoren) om te herleiden wat er in de botsing gebeurd is. 

Hebben we nou wat aan die deeltjesversnellers en detectoren of zijn het speeltjes van jullie wetenschappers? Zeker! Er zijn zelfs duizenden deeltjesversnellers in de wereld. Bijvoorbeeld in ziekenhuizen. Helaas kent bijna iedereen wel iemand die kanker heeft en bestraald wordt, maar bijna niemand weet waarmee mensen dan eigenlijk bestraald worden. Meestal zijn röntgenstralen met heel veel energie het meest geschikt en om die te maken heb je een deeltjesversneller nodig. Net als bij de productie van ‘gewone’ röntgenstralen komt de straling vrij als deeltjes versneld worden en op een plaatje worden geschoten. Zonder deeltjesversneller geen kanker-bestraling dus, en daarom heeft elk groot ziekenhuis deeltjesversnellers.

En de detectoren zelf dan? Laat ik ook daar weer een toepassing in het ziekenhuis pakken. We kennen allemaal de röntgenfoto. De straling zelf zie je niet, maar die gaat wel dwars door je spieren en vet heen, maar niet door je botten. Als je het licht opvangt aan de andere kant van je lijf kun je op de foto daarom heel goed de botten zien. En dus zien of er een breuk is. Of niet. Als je een scherpere foto wil kun je meer licht gebruiken, maar dat is niet zonder gevaar. Het is niet voor niks dat iedereen de kamer uitgaat in het ziekenhuis of bij de tandarts als er een röntgenfoto gemaakt wordt. De straling richt namelijk veel schade aan op zijn weg door je lichaam. Een andere oplossing om een betere foto te maken is door de fotografische plaat zelf beter te maken. Dit is net zoiets als het vergroten van het aantal pixels bij een digitale camera. En elke verbetering in de gevoeligheid zorgt ervoor dat met dezelfde hoeveelheid straling een betere foto gemaakt kan worden. Voor een enkele foto zal dat niet veel uitmaken, maar voor een zogenaamde ct-scan (dat is ongeveer het equivalent van tweehonderd foto’s tegelijk) betekent zou zoiets een enorme gezondheidswinst voor patiënten kunnen betekenen.

Net als aan het begin van de twintigste eeuw toen men alle atomen rangschikte en in detail onderzocht om uiteindelijk te ontdekken dat ze allemaal opgebouwd waren uit dezelfde drie bouwstenen gebeurde hier eigenlijk weer hetzelfde. In deeltjesbotsingen was er een hele dierentuin aan deeltjes tevoorschijn gekomen, maar toen het stof neerdaalde bleken al die deeltjes ook weer combinaties te zijn van maar aan handvol elementaire bouwstenen.

Het proton en neutron bleken bijvoorbeeld opgebouwd te zijn uit zogenaamde up-quarks en down-quarks. Samen met het elektron waren dat de bouwstenen van alle stabiele materie. Ze vormen samen de zogenaamde eerste familie, maar er hoort nog een vierde familielid bij: het neutrino. Een deeltje waar ik verder niet veel over zal zeggen, maar dat geproduceerd wordt in radioactieve processen en dat bekend staat als ‘spookdeeltje’ omdat het zonder probleem dwars door de aarde heen kan vliegen. Belangrijker is om te vertellen dat er van elk van deze vier deeltjes twee kopieën bestonden, twee kopieën met meer massa’s en die bovendien maar kort leefden. Dat gekke muon bijvoorbeeld, het zwaardere zusje van het elektron waar de hele zoektocht mee begon, heeft in tegenstelling tot het elektron niet het eeuwige leven, maar leeft maar een miljoenste seconde. Uiteindelijk bleken er 12 elementaire deeltjes te zijn, netjes gerangschikt in drie families van elk vier deeltjes. Deze deeltjes, samen met de regels over de manier waarop ze met elkaar communiceren (elkaar aantrekken, afstoten of in elkaar versmelten) vormen samen het beroemde Standaard Model. 

Dit Standaard Model vormt op dit moment het fundament van onze kennis over de opbouw van alle materie. Er is géén diepere laag. Dit is het. Het is een fantastisch en complex wiskundig bouwwerk waarmee we bijna alle deeltjes-fenomenen die we zien kunnen verklaren, maar tegelijkertijd zijn er ook frustrerende open vragen en mysteries. Waarom zijn er bijvoorbeeld drie families en niet gewoon één en waarom hebben de deeltjes zulke enorm verschillende massa en lukt het niet om de zwaartekracht een plekje te geven in de theorie? Dat allemaal in de volgende afleveringen.

We wandelen nu in grote stappen door het bos heen recht op het doel af, maar voor we afsluiten wil ik nog even een klein zijpaadje inslaan en iets zeggen over iets is dat als totale science-fiction en magie bekend staat onder het brede publiek terwijl het voor deeltjesfysici de gewoonste zaak is van de wereld is: anti-materie. Komt ie!

Toen de quantummechanica nog in de kinderschoenen stond bleek het lastig om de nieuwe theorie te combineren met de relativiteitstheorie. Enorm frustrerend, maar uiteindelijk lukte het de Engelsman Paul Dirac. Hij vond een formule die hem in staat stelde de bewegingen van het elektron in die rare quantumwereld te voorspellen. Het werkte allemaal fantastisch, maar zijn nieuwe theorie voorspelde dat er ook zoiets als een anti-elektron zou moeten bestaan (een positron voor de liefhebbers). Een deeltje dat even zwaar zou moeten zijn als een elektron, maar dan positief geladen. Hoewel er op zich niks mis is met het voorspellen van een nieuw deeltje (doe wat je niet laten kan), maar het leek naïef, omdat er geen en-kel experiment was dat zo’n anti-elektron had gezien. Gelukkig voor Dirac werd het positron vrij snel na zijn voorspelling ontdekt in het onderzoek naar kosmische stralen. En weer door Carl Anderson, de man die ook het muon deeltje had ontdekt. ‘Some guys have all the luck’. Later zou blijken dat inderdaad elk deeltje zijn eigen anti-deeltje heeft en het vormt daarmee ‘gewoon’ de helft van de bouwstenen van het Standaard Model.

Rondom antimaterie hangt een zweem van mysterie. Er is op aarde namelijk alleen materie en geen antimaterie en ook in de rest van het heelal lijkt het niet voor te komen. HOE kan dat nou? Een van de bijzondere aspecten van deeltjes en antideeltjes is ook dat ze kunnen samensmelten als ze elkaar tegenkomen, maar dat geeft gelijk de vraag waarom er dan überhaupt nog materie over is in het heelal als ze bij de oerknal in even grote hoeveelheden gemaakt zijn? Het mechanisme dat deze asymmetrie veroorzaakt is nog steeds een van de grootste raadsels van de deeltjesfysica.

Voor jou als luisteraar is het vast krankzinnig om te beseffen dat iets zo exotisch als anti-materie, iets waar je misschien tot 5 minuten geleden nog nooit van had gehoord, toch een toepassing heeft gevonden. Dat is zo namelijk. Het is niet in de vorm van een bom zoals in het boek het Bernini-mysterie van Dan Brown, maar juist om levens te redden in het ziekenhuis. Daar worden de twee lichtflitsen die gemaakt worden als een positron een elektron elkaar tegenkomen gebruikt om tumoren te lokaliseren. Laat me uitleggen hoe we dat doen. Bij patiënten wordt eerst een radioactieve stof geïnjecteerd die heel slim aan een (suiker)molecuul wordt gehangen zodat het zich via het bloed naar de tumor toe beweegt. Er wordt een speciaal atoom gebruikt dat positronen uitstraalt als straling, antimaterie dus. En dat positron zal, zodra het vrijkomt, vrijwel gelijk met een elektron samensmelten omdat die immers overal in het lichaam zitten. Daarbij worden dan twee lichtdeeltjes gemaakt die in tegenovergestelde richtingen dwars door het lichaam naar buiten schieten. En die kun je zien met een fotocamera. Als je dus ongeveer tegelijkertijd twee lichtdeeltjes ziet die in tegengestelde richting uit het lichaam komen, dan weet je dat er op de lijn tussen de twee camera’s een positron en een elektron zijn samengesmolten .. en dat zich op die lijn dus de tumor bevond. Als je ook nog nauwkeurig de aankomsttijd van de flitsen meet dan weet je ook waar de tumor precies zit. Omdat er bij de injectie een groot aantal radioactieve atomen wordt gebruikt en de lichtdeeltjes steeds in een willekeurige richting uitgezonden worden dan kunnen we zo een driedimensionaal beeld van de tumor maken. Antimaterie in ziekenhuizen om tumoren op te sporen; wie had dat ooit gedacht! En sterker nog, ik heb vandaag ook verteld dat als je een tumor blijkt te hebben we daarna weer een deeltjesversnellers nodig hebben om de tumoren te bestralen en te vernietigen. Deeltjesfysica redt levens!

Met alle elementaire deeltjes en de krachten die vertellen hoe ze bewegen en met elkaar communiceren hebben we het fundament van de natuur gevonden: het Standaard Model.

Tegelijk zijn er nog grote open vragen. Een van de grootste tekortkomingen was dat deeltjes in de theorie geen massa konden hebben. En dat is jammer, want a) deeltjes hebben wel massa en b) als deeltjes geen massa hebben zullen ze niet samenklonteren tot sterren en planeten en waren wij er dus ook nooit geweest. Een mogelijke oplossing, bedacht door een jonge Britse theoretisch natuurkundige, was de start van een zoektocht die 50 jaar zou duren. Daarover meer in de volgende aflevering.

Terug naar de Oerknal | 4. Naar de rand van de oneindigheid

In 2 playlist(s)

In de Diepte

Social links

Follow podcast

Recent clips