Megaproefjes Vijf grote

Zonder theorie geen experiment

(en andersom)

Een stoffige ruimte met een goedgevulde boekenkast, een krijtbord en een koffiezetapparaat. De stereotype werkomgeving van theoretisch natuurkundigen staat in schril contrast met die van hun experimentele collega’s, die werken met enorme, miljarden kostende apparaten. Toch kunnen ze niet zonder elkaar. Een blik op vijf grote experimenten, door een theoretische bril.

Tekst: Dennis Vaendel

CERN

Hoe zou de deeltjesfysica er vandaag de dag uitzien als CERN nooit had bestaan? Wouter Waalewijn, theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Amsterdam, durft het niet precies te zeggen. ‘Maar waarschijnlijk zou ik dan nu in een ander vakgebied werken.’

Het instituut – een samenwerkingsverband tussen 23 landen, gevestigd in het Frans-Zwitserse grensgebied nabij Genève – voert experimenten uit die ook figuurlijk grensverleggend zijn. ‘Zowel de hoeveelheid meetgegevens die CERN levert als de kwaliteit ervan overtreffen die van andere experimenten op dit gebied’, zegt Waalewijn. ‘Zonder deze data kunnen we onze theorieën over elementaire deeltjes niet testen.’

Een bekend voorbeeld is de ontdekking van het higgsdeeltje in 2012, met CERNs grootste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider. Het bestaan van dit elementaire deeltje was van cruciaal belang voor het standaardmodel, de theorie die alle bekende deeltjes beschrijft, en alle bekende krachten behalve de zwaartekracht. Deze theorie houdt echter geen stand zonder higgsdeeltje.

Nu wil dat niet zeggen dat deeltjesfysici sinds deze ontdekking achterover kunnen leunen. Het standaardmodel is nog niet ‘af’, zegt Waalewijn. ‘De afgelopen jaren zien we in metingen steeds meer aanwijzingen dat deeltjes zich niet exact gedragen zoals verwacht. De puzzelstukken van het standaardmodel passen nog niet helemaal in elkaar. Alleen is het onduidelijk waar we precies naar antwoorden moeten zoeken.’

Vandaar dat theoretici berekenen hoe het huidige standaardmodel zich in bepaalde situaties hoort te gedragen. ‘Met die informatie kun je op zoek naar afwijkingen. Als een meting anders is dan verwacht, vertelt dat je waar er misschien iets mis is.’ Daarnaast werken ze allerlei verschillende modellen uit. Kunnen er meerdere soorten higgsdeeltjes bestaan of misschien zelfs compleet nieuwe families van deeltjes? Gaan sommige deeltjes nog onbekende interacties aan met andere deeltjes of zichzelf? Hun bevindingen kunnen CERN-onderzoekers vertellen waar ze kunnen speuren naar nieuwe fysica.

Een deeltjesbotsing in de Large Hadron Collider van CERN, zoals waargenomen met het experiment CMS.

CERN

Euclid

Waar deeltjesfysici druk bezig zijn met het leggen van hun puzzel, moeten kosmologen eerst nog uitvinden hoe hun puzzelstukjes er precies uitzien. Het universum lijkt namelijk voor slechts een paar procent opgebouwd uit ‘normale’ materie, gemaakt van deeltjes uit het standaardmodel. De rest bestaat uit donkere materie en donkere energie, zo tonen theoretische modellen en indirecte waarnemingen aan. Maar waarvan deze mysterieuze goedjes gemaakt zijn, is nog in nevelen gehuld.

Ruimtetelescoop Euclid, die in 2023 gelanceerd moet worden, gaat natuurkundigen helpen om meer licht op deze zaak te schijnen. Hoe? Door meer dan een miljard verre sterrenstelsels heel nauwkeurig in beeld te brengen. ‘De afbeeldingen van deze stelsels kunnen namelijk vervormd worden door donkere materie, die als een zogeheten zwaartekrachtslens werkt’, zegt Elisa Chisari (Universiteit Utrecht).

Door de gemeten vervormingen van een gigantische hoeveelheid sterrenstelsels samen te voegen, willen astronomen een gedetailleerde kaart van de verdeling van donkere materie in het universum creëren. ‘Deze vergelijken we vervolgens met wat je verwacht te zien voor de verschillende verklaringen voor donkere materie, om te testen of die kunnen kloppen’, zegt Chisari. ‘Daarvoor zijn nauwkeurige theoretische modellen nodig. Want: hoe beter de metingen, des te preciezer je model moet zijn.’

Ook theorieën die donkere energie verklaren, kunnen met Euclid aan de tand gevoeld worden. Zo kan de telescoop meten hoe de ‘donkeremateriekaart’ van het universum veranderde van de oerknal tot nu. Dat vertelt iets over de uitdijing van het heelal, een proces dat donkere energie mogelijk versnelt. ‘Hiermee kunnen we onder meer de meest populaire beschrijving van de kosmos, het zogeheten Lambda-CDM-model, testen’, zegt Chisari. ‘Recente metingen hinten al op scheurtjes in dit model. Ik kijk dan ook uit naar wat observatoria als Euclid ons hierover gaan vertellen.’

Ruimtetelescoop Euclid moet meer licht gaan schijnen op donkere materie en dito energie.

ESA/ATG MEDIALAB (RUIMTETELESCOOP); NASA/ ESA/CXC/C. MA, H. EBELING, E. BARRETT (UNIVERSITY OF HAWAII/IFA) E.A./STSCI (ACHTERGROND)

ANTARES

‘Als het makkelijk was om de aard van donkere materie te achterhalen, zou mijn werk ook maar saai zijn’

Detectors als ANTARES kunnen neutrino’s waarnemen die duiden op donkere materie.

F.MONTANET/CNRS VOOR ANTARES

Turen naar sterrenstelsels is niet de enige manier waarop natuurkundigen de ware aard van donkere materie proberen te achterhalen. Zo wagen deeltjesfysici onder andere een poging met grote, onderzeese neutrinodetectors zoals ANTARES in de Middellandse Zee.

Sommige donkeremateriekandidaten, waaronder de onder natuurkundigen populaire WIMP (weakly interacting massive particle), kunnen volgens theoretische modellen namelijk elkaar annihileren of vervallen, waarbij heel energetische neutrino’s vrijkomen. Detectoren als ANTARES kunnen zulke neutrino’s waarnemen. Wanneer die uit de richting van de zon of het Melkwegcentrum blijken te komen, dan is dat een smoking gun voor het bestaan van deeltjes zoals WIMPs, zegt theoreticus Christoph Weniger (Universiteit van Amsterdam). ‘Dit zijn namelijk plekken waar zich mogelijk veel WIMPs bevinden.’

In de praktijk blijft het universum echter ijzig stil. Hoewel ANTARES al sinds 2008 actief is, heeft deze detector nog niet zulke neutrino’s aangetroffen. Toekomstige, gevoeligere detectoren – zoals KM3NeT, dat eveneens op de bodem van de Middellandse Zee verrijst – zijn mogelijk succesvoller.

Nu wil het gebrek aan metingen niet zeggen dat het onderzoeksgebied stilstaat. Integendeel. ‘De afgelopen jaren hebben theoretici juist ontzettend veel vooruitgang geboekt’, zegt Weniger. ‘Sommige kandidaatdeeltjes zijn afgevallen, bijvoorbeeld doordat berekeningen hebben aangetoond dat ze niet kunnen bestaan. Ook zijn er modellen ontwikkeld voor compleet nieuwe deeltjes, inclusief manieren waarop die op heterdaad kunnen worden betrapt. Dat geeft weer nieuwe richtingen waarin observationele onderzoekers kunnen zoeken.’

Ondertussen is het geduldig wachten en hopen op een daadwerkelijke detectie, verzucht Weniger. ‘Maar ach, als het makkelijk was om de aard van donkere materie te achterhalen, zou mijn werk ook maar saai zijn.’

Einstein Telescope

Dat geduld een schone zaak is, weten natuurkundigen die zich bezighouden met zwaartekrachtgolven maar al te goed. Aan de hand van zijn algemene relativiteitstheorie voorspelde Albert Einstein al in 1916 het bestaan van deze rimpelingen in de ruimtetijd. Vervolgens duurde het nog een eeuw voordat natuurkundigen ze daadwerkelijk direct waarnamen.

Een experimenteel huzarenstukje, waarbij ook theoretici een belangrijke rol speelden. ‘De signalen van zwaartekrachtgolven zijn heel zwak’, legt Tanja Hinderer (Universiteit Utrecht) uit. ‘Golven herkennen tussen alle meetruis én vervolgens bepalen hoe en waar ze zijn ontstaan, is volledig afhankelijk van theoretische modellen.’

Nu het mogelijk is om zwaartekrachtgolven te meten, is er een compleet nieuw venster op het universum geopend. Zo onthulden observatoria als LIGO in de Verenigde Staten en Virgo in Italië, al tientallen botsingen van zwarte gaten.

Toch is dit nog maar een begin. Een nieuwe generatie detectoren is in aantocht, waaronder de Einstein Telescope. Deze ondergrondse detector, die mogelijk gebouwd gaat worden in Zuid-Limburg, zal veel dieper in het heelal kijken en tien keer preciezere metingen doen dan LIGO en Virgo. Daarmee tilt hij het onderzoek naar een nóg hoger niveau, zegt Hinderer. ‘Er zullen veel meer waarnemingen zijn die de eigenschappen van samensmeltende zwarte gaten gedetailleerd blootleggen. Hiermee kunnen we heel nauwkeurig testen of deze kosmische botsingen zich gedragen zoals de algemene relativiteitstheorie voorschrijft. Mogelijke afwijkingen kunnen tot compleet nieuwe natuurkunde leiden.’

Bovendien kan de detector volledig onbekend terrein blootleggen. Zo is het mogelijk om net samengesmolten neutronensterren te bestuderen, waarin materie ongekend hoge dichtheden bereikt. ‘Verder is er een hele dierentuin aan exotische, compacte objecten waarvan theoretici vermoeden dat ze kunnen bestaan’, zegt Hinderer. ‘Denk aan bosonensterren, of sterren die volledig bestaan uit donkere materie of energie. De Einstein Telescope is zo gevoelig dat hij botsingen tussen dit soort vreemde, hypothetische objecten kan meten. Aan de hand van hun modellen zullen theoretici dan moeten verklaren wat er precies is waargenomen. Dit kan licht werpen op erg interessante fysica, van de aard van donkere materie tot quantumzwaartekracht.’

Mogelijk wordt de Einstein Telescope, een enorme zwaartekrachtgolvendetector, gebouwd in Zuid-Limburg.

MARCO KRAAN/NIKHEF

Quantumcomputer

Gaten schieten in bestaande theorieën of compleet nieuwe fysica ontdekken: het is niet voor iedere theoreticus het hoofddoel. Sommige takken van de natuurkunde zijn misschien gewoon ‘af’, zegt Carlo Beenakker (Universiteit Leiden). Als voorbeeld noemt hij zijn eigen vakgebied, de quantummechanica, die het gedrag van deeltjes en energie op de allerkleinste schaal beschrijft. ‘Ik werk nog steeds met fysica die honderd jaar geleden is ontwikkeld.’ Wat de theoretisch natuurkundige dan wel doet? De theorie toepassen in nieuwe contexten, om technologische ontwikkelingen vooruit te helpen. ‘De quantummechanica blijkt toepassingen te hebben waarvan fysici een eeuw geleden met de oren zouden staan klapperen’, zegt Beenakker. Neem de quantumcomputer, die bepaalde berekeningen veel sneller kan uitvoeren dan gewone computers. Het principe hierachter werd in de jaren tachtig en negentig al volledig door quantumfysici uitontwikkeld. Sinds kort worden in steeds meer laboratoria en bedrijven eerste, voorzichtige versies van dit rekenbeest gebouwd.

Het winnende ontwerp is alleen nog niet bekend, zegt Beenakker. ‘Fysici werken aan verschillende soorten qubits. Dat zijn de quantumversies van bits, de informatiedragers waar computers gebruik van maken. Om erachter te komen welk type qubit het beste werkt, moeten theoretici opeens gaan programmeren. Dat werkt compleet anders dan voor een normale computer, doordat je rekening moet houden met de wetten van de quantumwereld.’

Zo wil je bijvoorbeeld zeker weten dat er geen foutjes in de berekeningen sluipen. Normaal gesproken doe je dat door de waarde van bits te controleren. De kracht van een qubit is echter dat hij twee waardes tegelijk kan hebben. Tenminste: zolang je hem niet uitleest. Maar als dat niet mag, hoe controleer je zo’n qubit dan? ‘Theoretici moeten manieren vinden om hier omheen te werken; om te voorkomen dat de quantumcomputer steeds crasht’, zegt Beenakker.

Of de quantumcomputer de torenhoge verwachtingen uiteindelijk kan waarmaken? Beenakker is optimistisch. ‘Al moet wel nog blijken wat de uiteindelijke, grote toepassingen worden. Binnen de natuurkunde hebben de huidige quantumcomputers hun waarde overigens wel al bewezen. In veel vakgebieden leiden hun berekeningen tot prachtige theoretische resultaten.’

Aan het door de TU Delft en TNO opgerichte lab QuTech wordt toegewerkt naar de quantumcomputer en het quantuminternet.

QUTECH