2011-01 MIRA Ceti sprak met... Pierre Van Mechelen

In de sterrenkunde kijkt men niet op een maatje meer, een graadje heter of een lichtjaartje verder, men spreekt niet voor niets over ‘astronomische getallen’. Maar om de wereld van het heel grote te begrijpen is het wel noodzakelijk om ook de wereld van het heel kleine te doorgronden. We trokken daarom naar de Universiteit Antwerpen alwaar professor Pierre Van Mechelen (°1970) van de onderzoeksgroep elementaire deeltjesfysica ons te woord stond over zijn onderzoek en over het functioneren van krachten en deeltjes op het subatomaire niveau.

Wie experimentele deeltjesfysica zegt, denkt natuurlijk meteen aan het CERN in Genève. Daar is immers de grootste deeltjesversneller ter wereld operationeel, de Large Hadron Collider, beter gekend als de LHC. Samen met een aantal Belgische collega’s is Pierre Van Mechelen nauw betrokken bij één van de grote experimenten die daar in die 27 km lange cirkelvormige versneller opgesteld staan.

Op een moment dat van de totale inhoud van het heelal zo’n kleine vijf procent begrepen wordt, terwijl de overige 95 procent bestaat uit wat men donkere materie en donkere energie noemt, valt er duidelijk nog veel te ontdekken over de ware aard van materie en energie. 

 

Voorwaar gouden tijden voor onderzoekers zoals u, prof. Van Mechelen?

 

Met een heleboel prangende vragen in de fundamentele fysica en kosmologie die momenteel onbeantwoord zijn, is het inderdaad uiterst interessant dat we voor ons onderzoek kunnen beschikken over een ongemeen krachtig instrument zoals de grote deeltjesversneller LHC. Sterrenkunde en deeltjesfysica zijn twee manieren om dezelfde fundamentele vragen aan te pakken. Waarom is er een ongelijkheid of asymmetrie tussen materie en antimaterie in het heelal? Wat zijn donkere materie en donkere energie? Hoe is het heelal ontstaan? En nog meer van dergelijke vragen. Maar waar een sterrenkundige kijkt naar wat zich in het heelal afspeelt en dus eigenlijk verplicht is te wachten tot een bepaald fenomeen zich in het heelal voordoet om het dan te kunnen bestuderen, doen deeltjesfysici in hun laboratorium experimenten onder gecontroleerde omstandigheden, waarbij zij zelf het scenario bepalen. Beide werkwijzen hebben natuurlijk hun voor- en nadelen, maar ze zijn wel complementair.

 

Sterrenkundigen riskeren met hun onderzoek wel minder een Nobelprijs in de wacht te slepen, niet?

 

Ja, het is waar dat er tussen de Nobelprijswinnaars heel wat deeltjesfysici zitten en zo goed als geen astronomen.

 

Dat wijst erop hoe belangrijk de totstandkoming van het model dat een beschrijving geeft van de deeltjes en krachten in de natuur geacht wordt. Kan u in het kort enige belangrijke fasen in dat proces schetsen?  

 

De eerste studies op het v lak van deeltjesfysica werden hoog in de atmosfeer met ballonnen verricht. Daar kon men deeltjes detecteren die rechtstreeks uit de ruimte afkomstig waren, de zogenaamde kosmische straling. Zelf deeltjes versnellen is pas later gekomen, in het begin waren het voornamelijk experimenten met een bellenvat, waarbij de sporen van een voorbijschietend deeltje als belletjes zichtbaar werden in een vloeistof onder druk. Dat proces werd gefotografeerd, en al die foto’s moesten dan uitgemeten worden, een zeer arbeidsintensief karwei. Sinds de jaren 1980 kwamen elektronische detectoren ter beschikking waarbij de gegevensanalyse via de computer kon gebeuren. Op die manier werd het mogelijk om veel meer gegevens te verzamelen en te komen tot significante statistische gegevens. Uit de vele botsingen kreeg men zo meteen zicht op de meer zeldzame en dus interessante gevallen.

De ontdekkingstocht begon al begin jaren 1930. Paul Dirac had voorspeld dat er voor het elektron ook een antideeltje moest bestaan, en kort nadien werd het eerste antimateriedeeltje ook effectief ontdekt in zo’n bellenvat. Men heeft dan vrij snel een groot aantal andere elementaire deeltjes ontdekt, maar zonder dat men meteen zicht had op de onderlinge verbanden tussen die verschillende deeltjes.

Aan die chaos kwam vanaf de late jaren 1960 een einde met het quarkmodel dat door Murray Gell-Mann werd voorgesteld, toen men mathematisch tot het inzicht kwam en ook experimenteel kon vaststellen dat al die verschillende deeltjes opgebouwd waren uit slechts een beperkt aantal quarks. Je kan het vergelijken met de tabel van Mendelejev waarin je heel veel verschillende atomen aantreft, maar uiteindelijk weet je dat die alle uiteindelijk maar combinaties zijn van protonen, neutronen en elektronen.

Op het vlak van de krachten is in diezelfde periode een belangrijke theorie ontwikkeld die een unificatie van de elektromagnetische kracht en de zwakke wisselwerking vooropstelde, en sindsdien spreekt men dan ook over de elektrozwakke wisselwerking. Begin jaren 1980 werden in het CERN de dragers van deze kracht ook effectief ontdekt, het W- en het Z-boson, andermaal een mijlpaal in de geschiedenis van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Sinds de jaren 1960 is men ook op zoek naar het befaamde Higgs-boson, dat is een deeltje dat via een soort krachtenveld verantwoordelijk is voor de massa van alle andere deeltjes, en dus noodzakelijk om het standaardmodel te doen overeenkomen met hetgeen we experimenteel vaststellen. Zoals je weet is het Higgs-boson nog steeds niet gevonden, en een belangrijke taak van de LHC, zo niet de belangrijkste taak ervan, is het ontdekken van dit ontbrekende puzzelstuk.

 

Het standaardmodel mag op die manier gezien worden als een tabel met vakjes waarin alle fundamentele deeltjes en krachten hun plaatsje vinden?

 

Ja, en bovendien kon men op basis van de lege vakjes het bestaan van nieuwe deeltjes voorspellen met welbepaalde eigenschappen. Als men die deeltjes vervolgens ook wist te ontdekken was dat een krachtige bevestiging van het model. Zo is men bv. tot zes quarks gekomen i.p.v. de drie die men in het begin kende. Het theoretische model dat erachter zit werd uitgevonden door Makoto Kobayashi en Toshihide Maskawa. Zij hadden een mechanisme vooropgesteld waarmee zij konden uitleggen waarom er een asymmetrie is tussen materie en antimaterie in het heelal, maar zij konden dat enkel doen als er drie families van telkens twee quarks, dus zes quarks zouden zijn. Toen zij hun theorie voorstelden waren er nog maar drie quarks bekend, en men vond op dat moment dat er te weinig argumenten waren om de hypothese van de zes quarks in het model te integreren. Deze theorie is dan opzij geschoven, tot er een paar jaar later een andere theorie op de proppen kwam die stelde dat bepaalde eigenschappen van reacties tussen deeltjes enkel maar verklaard kunnen worden als er vier quarks bestaan. Men kon zelfs de massa en de eigenschappen van die vierde quark voorspellen, zodat er doelgericht naar gezocht kon worden, en men heeft hem dan ook kort nadien ontdekt via botsingen in deeltjesversnellers. Die ontdekking zette de deur terug open voor de theorie van Kobayashi en Maskawa, en intussen zijn de twee laatste quarks ook effectief waargenomen. In 2008 hebben beide Japanners voor hun theorie trouwens de Nobelprijs gekregen.

De voorspellingen i.v.m. het standaardmodel legden ook verbanden tussen verschillende gebieden in de deeltjesfysica die op het eerste gezicht niet duidelijk zijn. Als je bv. de asymmetrie tussen materie en antimaterie wil verklaren kan je via een mooie wiskundige afleiding uitkomen bij het bestaan van zes quarks. Uit het feit dat de kleinste figuur die een oppervlakte heeft een driehoek is – een figuur met twee hoeken kan immers geen oppervlakte hebben – kom je tot drie families, en zo wordt er via de meetkunde een verband zichtbaar tussen materie en antimaterie en het bestaan van drie families van twee quarks.

En zo zit het standaardmodel vol met van die zeer mooie afleidingen die zeer sterke voorspellingen doen die vervolgens ook experimenteel bevestigd worden.

Ook het Higgs-boson kan op die manier gezien worden als een nieuw deeltje dat via een wiskundige afleiding voorspeld wordt, maar dat we tot nu toe nog altijd niet ontdekt hebben.

 

Waarom spreekt men steeds over het Higgs-boson? Higgs was toch niet de enige wetenschapper die het bestaan van dit deeltje voorspelde?

 

Dat is waar, het zijn Robert Brout en François Englert, twee Belgische fysici van de ULB, die samen met Peter Higgs dat model hebben vooropgesteld, maar om een of andere reden is men beginnen spreken over het Higgs-boson. En eens een naam overal gebruikt wordt, is het moeilijk om dat nadien nog te veranderen. Maar er wordt in dit verband wel systematisch over het Brout-Englert-Higgs-mechanisme gesproken. Degene die eigenlijk de basis voor dit mechanisme heeft gelegd is Yoichiro Nambu. In hetzelfde jaar als Kobayashi en Maskawa kreeg hij de Nobelprijs voor zijn ontdekking van de werking van spontane symmetriebreking.   

In het standaardmodel is dit enkel mogelijk door gebruik te maken van het Brout-Englert-Higgs-mechanisme en dus uit te gaan van het bestaan van het Higgs-boson. 

 

Wat moeten we ons voorstellen bij het begrip symmetrie?

 

Symmetrieën zijn heel belangrijk in de fysica en zeker in de deeltjesfysica. Een symmetrie van een natuurkundig systeem is een fysisch en mathematisch kenmerk van dit systeem dat bij een willekeurige verandering behouden blijft. Er is het theorema van Emmy Noether dat zegt dat symmetrieën altijd gelinkt zijn aan behoudswetten. Zo hangt de wet van behoud van energie vast aan het feit dat men veronderstelt dat de wetten van de fysica constant zijn in de tijd. Als we die wet van de fysica op dit moment hebben, was die ook miljoenen of miljarden jaren geleden van kracht. Dus het feit dat er een symmetrie is in de tijd leidt weer via zo’n mooie wiskundige afleiding tot de wet van behoud van energie. Hetzelfde geldt voor de translatiesymmetrie van de wetten van de fysica op Aarde: die zijn dezelfde als die op de Maan of in het Andromedastelsel. Die invariantie t.o.v. de plaats waar men zich bevindt, leidt uiteindelijk tot het behoud van impuls. En zo is het mogelijk heel ingewikkelde symmetrieën te bedenken, ook in het standaardmodel kan men uitleggen hoe het bestaan van krachten tussen deeltjes gelinkt is met een symmetrie.

En dat brengt ons meteen bij de essentie van het Brout-Englert-Higgs-mechanisme. Het bestaan van krachten linken met symmetrie is enkel maar mogelijk als deeltjes massaloos zijn. En dat is een probleem, want we weten allemaal dat deeltjes niet massaloos zijn. Maar daar hebben Brout, Englert en Higgs een oplossing voor bedacht, het naar hen vernoemde mechanisme dat uitlegt hoe het toch mogelijk is dat deeltjes massa hebben zonder dat de link tussen krachten en symmetrie opgegeven moet worden.

Andermaal een heel mooie afleiding, en als bijproduct van het Brout-Englert-Higgs-mechanisme krijg je het Higgs-boson erbovenop. Dus als we dat boson zouden vinden, is het een bevestiging dat dit model inderdaad klopt.   

 

En wie gaat dat deeltje vinden?

 

Er is momenteel een soort competitie aan de gang tussen de Tevatron, de grote deeltjesversneller van het Amerikaanse Fermilab, en de LHC. Op papier is de LHC veel krachtiger, maar de Tevatron is al sinds 1990 in bedrijf, dus daar heeft men al heel wat data kunnen verzamelen.

Als het Higgs-boson bestaat, welke massa heeft het dan? Dankzij de waarnemingen met de Tevatron kunnen we nu al bepaalde grenzen trekken wat betreft de massa van dat deeltje. Als het bestaat zouden we het immers zeker al gezien moeten hebben indien het die of die bepaalde massa zou hebben.

Vandaag staat de Tevatron nog altijd voor op de LHC die nog maar een goed jaar operationeel is, maar tegen de zomer van 2011verwachten we ongeveer gelijk te staan, en vanaf dan zal de LHC de Tevatron moeten voorbijsteken, ten minste als alles blijft lopen zoals het hoort. Technische mankementen zijn immers nooit uit te sluiten met dergelijke gecompliceerde instrumenten.

 

Naast symmetrie spreekt men i.v.m. het standaardmodel ook over supersymmetrie. Wat bedoelt men daarmee?

 

Supersymmetrie is een uitbreiding van het standaardmodel naar analogie met wat in de jaren 1930 gebeurde toen Dirac voorspelde dat er voor elk materiedeeltje ook een antimateriedeeltje moest bestaan, hetgeen een verdubbeling van het aantal deeltjes met zich meebracht. Nadien is het bestaan van die antimateriedeeltjes experimenteel bevestigd. Supersymmetrie is daar gelijkaardig aan en voorspelt dat voor elk zgn. materiedeeltje of fermion en voor elk zgn. krachtendeeltje of boson er ook een supersymmetrische tegenhanger bestaat.

We moeten ons dan natuurlijk de vraag stellen: als er dubbel zoveel deeltjes bestaan als we kennen, waarom hebben we die dan nog niet gezien? En dan is het voor de hand liggend die supersymmetrische deeltjes als zeer zware deeltjes te beschouwen die buiten het bereik vallen van hetgeen de deeltjesversnellers de dag van vandaag aankunnen.

Als bijproduct van die supersymmetrie heb je al die deeltjes, waarvan er eentje het lichtste supersymmetrische deeltje is, een stabiel deeltje dat niet kan vervallen in andere deeltjes, en dat we het neutralino noemen. Stel dat dit neutralino bestaat, zou dat wel eens een verklaring kunnen geven voor de donkere materie in het heelal, en dat is uiteraard een aantrekkelijke hypothese.

Supersymmetrie is een theorie die nog niet experimenteel bevestigd is, en het is momenteel niet duidelijk dat dit ooit zal gebeuren. Het is in ieder geval een zeer interessante piste die grondig onderzocht wordt, maar het situeert zich wel op een ander niveau dan het Higgs-boson. Want de theorie over het Higgs-boson heeft een veel solidere basis en ligt volledig ingebed in het standaardmodel. Mocht het Higgs-boson niet bestaan, dan moeten we het hele standaardmodel fundamenteel herzien. Indien supersymmetrie finaal niet blijkt te bestaan, dan wil dat niet zeggen dat we al de rest naar de prullenmand moeten verwijzen. 

 

Nu de LHC er is, wordt er wellicht al gedacht aan een volgende generatie deeltjesversnellers?

 

Als we deeltjes willen ontdekken met veel grotere massa’s dan de massa’s die we nu kennen, dan is het nodig om een steeds hoger energieniveau te bereiken. De LHC is de versneller die het meeste energie kan produceren, maar we hopen tegen 2014 dat niveau nog eens te verdubbelen om nog zwaardere deeltjes te kunnen aanmaken.

We hopen met dat krachtige instrument dus een aantal nieuwe deeltjes te ontdekken, maar naast het voordeel dat je hebt door protonen te laten botsen – je kan ze relatief gemakkelijk versnellen en ze zo tot zeer hoge energieën brengen, is er het nadeel dat een proton een samengesteld deeltje is. Bij botsingen van protonen krijg je naast een eventueel interessant nieuw deeltje dat ontstaan is door de botsing van twee quarks zoveel extra fenomenen die als een soort storende ruis het zicht vertroebelen en de analyse enorm compliceren.

Als je daarom heel precies de eigenschappen van je nieuwe deeltje wil gaan meten, kan je beter gebruik maken van een versneller die elektronen met positronen doet botsen. Daarbij treedt er immers annihilatie op, van het elektron en positron zelf blijft niets meer over, en het nieuwe deeltje dat gevormd is bij de botsing kan volledig op zichzelf geanalyseerd worden. Na de LHC zou de volgende stap dus zo’n elektron-positron-versneller zijn: de International Linear Collider of ILC.

Elektronen hebben wel het grote nadeel dat wanneer ze tijdens het versnellen in een cirkel afgebogen worden ze synchrotronstraling uitzenden, wat een enorm energieverlies geeft. Het zal dus moeten gebeuren door ze in één ruk in een rechte lijn te versnellen tot ze het gewenste zeer hoge energieniveau bereiken. Om dat te realiseren zijn technologische hoogstandjes nodig, maar er bestaan al instrumenten die dat voor een deel mogelijk maken.

Of de ILC ook daadwerkelijk zal gebouwd worden, zal heel sterk afhangen van wat de LHC uiteindelijk als resultaten produceert. Stel dat de LHC geen nieuwe deeltjes vindt, dan zal het misschien moeilijk te beargumenteren zijn dat we een nieuwe lineaire versneller nodig hebben. Er zijn wetenschappers die menen dat we niets nieuws meer zullen ontdekken en op onze grenzen stoten voor wat experimenteel waarneembaar is. Maar elke keer dat tot nog toe de energie verhoogd werd, werden er nieuwe deeltjes geproduceerd en hebben we nieuwe inzichten verworven i.v.m. de elementaire deeltjes. Dus in het algemeen is men er toch van overtuigd dat dit ook zo zal zijn met de LHC

 

Het experiment aan de LHC waar u zich mee bezig houdt is de CMS. Wat voor een toestel is dat precies?

 

CMS staat voor Compact Muon Solenoid. Het is een reusachtige detector die ruim 20 meter lang is, een diameter heeft van 15 meter en gebouwd is bij de LHC rond een enorme spoelvormige magneet. Het experiment is voorzien van miljoenen individuele detectoren om de botsingen van tot bijna de lichtsnelheid versnelde geladen deeltjes te registeren alsook de daarbij vrijkomende subatomaire deeltjes. Op die manier kunnen we fysische processen bestuderen op hogere energieniveaus dan ooit voorheen, kunnen we op zoek gaan naar het Higgs-boson en komen we misschien op het spoor van supersymmetrie en extra dimensies. Aan de andere kant van de LHC staat de ATLAS-detector. Dat experiment heeft dezelfde wetenschappelijke objectieven als de CMS en is er complementair mee, maar is anders opgebouwd en gebruikt andere technieken. 

De instituten die zich met experimentele deeltjesfysica bezighouden in België hebben een tijd geleden beslist om de krachten te bundelen i.p.v. ons te verspreiden over verschillende experimenten aan de LHC. We hebben geopteerd om zo’n honderd onderzoekers in te zetten bij het CMS-experiment, dat is toch al een redelijk grote groep. In Vlaanderen zijn dat mensen van de universiteiten van Brussel, Gent en Antwerpen.

Voor jongeren die interesse hebben in deeltjesfysica zijn er zeker carrièremogelijkheden, want wij zijn constant op zoek naar jonge onderzoekers. Aan het CMS-experiment werken in totaal meer dan 2.500 fysici uit 37 verschillende landen samen, dat is misschien al een erg grote groep op zich, maar toch hebben we nog altijd een gebrek aan arbeidskrachten. De experimenten die wij uitvoeren zijn immers zo complex dat je echt zo’n massa wetenschappers nodig hebt om de boel draaiende te houden en de nodige analyses uit te voeren.

 

Is het makkelijk om hiervoor de nodige fondsen te vinden?

 

Op het gebied van financiën is het natuurlijk altijd nodig om voorzichtig te zijn, maar met de ingebruikname van de LHC is er momenteel een gunstig klimaat om voor dit onderzoek geld en mensen beschikbaar te krijgen.   

 

Waar komen die fondsen vandaan?

 

CERN zelf wordt gefinancierd door zijn lidstaten. Ik meen dat België 2,6 procent van het budget van CERN voor zijn rekening neemt, dat is dus geld van de Federale Overheid. Die middelen heeft CERN niet alleen nodig voor de eigen werking, maar ook om de LHC te bouwen en te onderhouden. De detectoren en experimenten die daar rond gebouwd worden, worden gefinancierd door de deelnemende instellingen. Aan het CMS-experiment draagt onze universiteit bij, en het geld daarvoor komt van het FWO, het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek. Dat is dus Vlaams geld, en om over die middelen te kunnen beschikken moeten we een project voorleggen dat in competitie gaat met zovele andere projecten van andere instellingen en dat door het FWO goedgekeurd wordt.  

Op zich zijn dat natuurlijk allemaal geen kleine budgetten, maar als je kijkt naar het aantal mensen dat erop werkt is dat een redelijk bedrag. In vergelijking met hetgeen de gemiddelde wetenschapper in België krijgt om zijn onderzoek te doen, is dat voor deeltjesfysici niet zoveel meer dan dat gemiddelde.

Bovendien heeft CERN ook veel kosten, dat gaat van de aanschaf van het meest geavanceerde hoogtechnologisch materiaal tot papier, schrijfgerei en bureaustoelen. Men streeft er in de mate van het mogelijke naar om de bestellingen evenredig te verdelen over de lidstaten naarmate hun bijdrage aan de financiering van CERN. En voor België is de situatie momenteel zo dat we op die manier meer ontvangen dan dat we betalen.

 

Dat is alvast mooi meegenomen. Maar wij kijken toch vooral uit naar de wetenschappelijke oogst uit Genève en wensen u en uw team nog veel vruchtbaar onderzoek toe. Hartelijke dank voor het interview.