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 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!See omnystudio.com/listener for privacy information.