Hart van de Materie 21: Het Standaardmodel speelt op

We staan op de schouders van reuzen 

Grote omwentelingen in het wetenschappelijk denken komen zelden voor. Wetenschappelijke kennis schuift eerder op met ministapjes, kleine bijdragen van onbekend gebleven onderzoekers die daarvoor dag en nacht gewroet hebben in hun laboratoria, aan hun bureau en in discussie met hun al even onbekende collega’s. Velen willen Einstein zijn, of Darwin, of Rutherford, maar weinigen bereiken ooit die status. Dat maakt hun bijdrage aan de wetenschappen niet minder interessant, nuttig of noodzakelijk: het is wellicht dankzij al die kleine bijdragen dat we staan waar we nu staan. 

Heel wat reuzen in de wetenschap op de Solvay Conference on Quantum Mechanics van 1927 (in Brussel).

Achteraan (staand) van links naar rechts : Auguste Piccard, Émile Henriot, Paul Ehrenfest, Édouard Herzen, Théophile de Donder, Erwin Schrödinger, Jules-Émile Verschaffelt, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg, Ralph Howard Fowler, Léon Brillouin.
Midden: Peter Debye, Martin Knudsen, William Lawrence Bragg, Hendrik Anthony Kramers, Paul Dirac, Arthur Compton, Louis de Broglie, Max Born, Niels Bohr.
Vooraan: Irving Langmuir, Max Planck, Marie Sklodowska Curie, Hendrik Lorentz, Albert Einstein, Paul Langevin, Charles-Eugène Guye, Charles Thomson Rees Wilson, Owen Willans Richardson.
Foto genomen door Benjamin Couprie, Institut International de Physique Solvay, Brussels, Belgium. Publiek domein.

Geen enkele theorie komt zo maar uit de lucht gevallen. Evolutionair denken begon niet met Charles Darwin (zelfs diens grootvader had het in zijn geschriften al over evolutie van het leven), en aan de ontdekking van Einstein dat de lichtsnelheid een constante waarde is, gingen talloze experimenten en speculaties vooraf. Priestley, Lavoisier en Scheele struikelden niet zomaar over een hoopje zuurstofgas, maar pasten in een historisch verhaal waarin decennia onderzoek naar het gedrag van gassen en de misvatting van de phlogistontheorie hen gidsten. Wel was het hun genie dat zag wat anderen ontgaan was! Meer nog – zelfs de grote revoluties in het wetenschappelijk denken zijn zelden van dien aard, dat al wat ervoor aan kennis was opgebouwd, naar de sprookjesboeken werd verwezen. De relativistische ruimtetijdmechanica van Einstein zei niet dat de mechanica van Newton fout zat – integendeel. Newtons variant was een bijzonder geval, bij lage snelheden, van de uitgebreidere theorie van Einstein. 

In de loop van het verhaal over materie zijn gelijkaardige verhalen naar boven gekomen. Het atoommodel van Dalton is langzaam weggegleden van de notie dat atomen minuscule ondeelbare balletjes zijn: Thomson vond elektronen, Rutherford trof een kern aan met daarin positieve kleinere deeltjes, de protonen. Chadwick voegde er de neutronen aan toe. Yukawa zette de deur open naar pionen, muonen en kaonen, en zelfs die waren niet allemaal elementair – fundamenteel – genoeg: de meeste onder hen bestonden zelf uit quarks. Maar dat houdt ons nog steeds niet tegen om naar believen gebruik te maken van de gasmodellen van Gay-Lussac, Boyle en Avogadro, de methode van Lewis om moleculen te tekenen en het onovertroffen Periodiek Systeem der Elementen van Mendelejev: allemaal negentiende-eeuwse kennis die het nog steeds goed doet in de laboratoria en wetenschapsklassen van de eenentwintigste eeuw, ondanks de ontdekking van heel wat lagen in de structuur van de materie. Bovendien hangen al die elementen van de wetenschappen overheen die verschillende eeuwen samen in een groot kader, elk element steunend op alle andere om samen een consistent beeld te geven van de materie en haar gedrag.

Maar waar eindigt een dergelijke ontwikkeling van ontdekking na ontdekking? Eindigt ze sowieso ergens? Zijn de quark en het lepton de finale ondeelbare deeltjes waar Democritus al naar hengelde? Of bestaan ook zij uit kleinere onderdelen? En hoe “groot” moeten we die dan inschatten? Is het Standaardmodel van de materie het finale antwoord op de vraag “Hoe is de materie rondom ons opgebouwd?” en zo nee, wat is er dan nog te ontdekken? 

Unificatie van krachten

Het Standaardmodel is alvast niet het einde van onze zoektocht. Daarvoor zijn er nog te veel open vragen waar het huidige model geen antwoord op kan geven. Een van die vragen gaat over de basiskrachten in de natuur en hoe deze met mekaar interageren. Zoals reeds vermeld in episode 17, bestaan er in de natuur vier fundamentele krachten: de zwaartekracht, de elektromagnetische krachten, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht. De vraag is, hoe zij zich onderling verhouden, en of ze op een bepaalde schaal eigenlijk geen manifestaties zijn van een onderliggende basiskracht. 

Het langst zijn we al bekend met de zwaartekracht. Dit is de zwakste van de vier, maar heeft een zeer groot bereik. Over grote afstanden is de zwaartekracht het effectiefst. De tweede is de elektromagnetische kracht, verantwoordelijk voor elektrische en magnetische effecten, zoals de afstoting tussen gelijke elektrische ladingen of de wisselwerking van staafmagneten. Elektromagnetisme werkt over grote afstanden, kan aantrekken en afstoten, maar is enkel actief tussen stukken van materie die een elektrische lading dragen. De zwaartekracht is de belangrijkste krachtbepalende structuur over grote afstanden. De sterke kernkracht is de sterkste van de vier, maar alleen op afstanden van 10-13 centimeter, net genoeg om de kerndeeltjes in een atoomkern bij mekaar te houden. Op nog kortere afstanden beginnen die deeltjes mekaar zelfs af te stoten. Het is verantwoordelijk om de kernen van atomen samen te houden. De zwakke kernkracht bepaalt het verloop van radioactief verval en van interacties tussen neutrino’s. Ook deze kracht heeft een zeer kort bereik en is bovendien, zoals de naam al aangeeft, minder sterk dan de sterke kernkracht. 

Na de oerknal is ons heelal beginnen uitdijen. Na fracties van seconden ontstonden de eerste materiedeeltjes (quarks en leptonen), na 3 minuten zaten deze reeds aan mekaar gebonden in waterstof- en heliumkernen. Na 300.000 jaar ontstonden de eerste waterstof- en heliumatomen. Een miljard jaar later vormden zich hieruit proto-melkwegstelsels en de eerste sterren (die de geboorteplaats werden van zwaardere elementen dan waterstof en helium). Bron: MeNS 52

 

Stilaan is onder natuurkundigen het idee gegroeid dat deze verschillende krachten echter varianten op hetzelfde thema zijn, en dat er een oervorm bestaat waarvan de vier vermelde krachten een variant zijn. Naarmate het universum afkoelde na de Big Bang, splitsten de krachten zich een voor een van deze oervorm af. Naarmate de kennis over de krachten zich ontwikkelde, ontstonden er echter verschillende theorieën over hoe deze krachten toch nog een onderlinge samenhang vertoonden. De eerste stap daarin werd gezet door James Clerk Maxwell, die al in de jaren 1860 begreep dat magnetische en elektrische krachten twee zijden van dezelfde medaille zijn. De volgende stap werd gezet door Sheldon Glashow, Abdus Salam en Steven Weinberg die begrepen dat er bij een temperatuur van 1015 K geen onderscheid meer zou bestaan tussen elektromagnetische interacties en de interacties ten gevolge van de zwakke kernkracht. Het leverde hen in 1979 de Nobelprijs voor Natuurkunde op. De combinatie van beide wordt de elektrozwakke kracht genoemd. Zoals David Griffiths het uitdrukte in zijn boek Introduction to Elementary Particles: "Leptons have no color, so they do not participate in the strong interactions; neutrinos have no charge, so they experience no electromagnetic forces; but all of them join in the weak interactions."

 

Samen met Howard Georgi ging Sheldon Glashow nog een stap verder. Beide wetenschappers werkten samen de vereniging uit van sterke, zwakke en elektromagnetische krachten, wat zou moeten gebeuren bij energieën boven 1014 GeV (temperaturen boven de 1027 K). De huidige experimenten gebeuren bij veel lagere energieën, maar laten wel af en toe zien dat deze denkrichting juist zou kunnen zijn.

Een eenheidskracht waar ook de zwaartekracht bij gerekend kan worden, de zogenoemde kwantumzwaartekracht (quantum gravity) is nog niet voor meteen. De vereniging van elektromagnetisme, zwakke en sterke kernkrachten past nog binnen het standaardmodel van quarks en leptonen. De theoretische uitwerking, en vooral het experimenteel bewijs voor het bestaan van een kwantumzwaartekracht van een geheel ander niveau. Experimenten rond de verdere vereniging van alle krachten samen vereisen zelfs zulke extreme condities, dat experimenten op onze planeet gewoonweg onmogelijk zijn. Bevestiging van dergelijke theorieën zal dan ook moeten komen van indirecte waarnemingen, of van analyse van kosmische verschijnselen. En zo is de fysica van de allerkleinste deeltjes plots gekoppeld aan de fysica van het hele universum. 

Maar ook de theoretische kant vergt een verdere uitbreiding van onze inzichten in de structuur van de materie, buiten de grenzen van het Standaardmodel.

Donkere materie

Een tweede element dat aangeeft dat we het standaardmodel verder moeten uitbreiden, is het mogelijke bestaan van donkere materie. Kosmologen hebben de stelling naar voren geschoven dat ons heelal voor 95% moet bestaan uit donkere materie (dark matter, 26,8%) en donkere energie (dark energy, 68,3%) – materie en energie die geen licht afgeven, en waarvan we het bestaan enkel kunnen afleiden uit kosmologische verschijnselen zoals gravitatielenzen (figuren hieronder) of de verdeling van massa in de armen van spiraalvormige melkwegstelsels (figuur verderop).

Volgens de algemene relativiteitstheorie volgt het licht de kromming van de ruimtetijd. Massa buigt die ruimtetijd, dus zal licht dat langs een massief object gaat, mee gebogen worden, net als door een gewone lens. In tegenstelling tot een optische lens produceert een zwaartekrachtlens echter een maximale afbuiging van het licht dat het dichtst bij die massa komt, en een minimale buiging van het licht dat het verst ervan verwijderd is.

Maar waar komt plots die donkere materie vandaan, en waarom is daar zo veel van?

Werking van een gravitatielens

Deze foto toont hoe de zwaartekracht van een heldere rode melkweg het licht van een achterliggende blauwe melkweg zodanig ombuigt, dat het blauwe licht bijna een volle cirkel (een hoefijzer) rondom de zwaartekrachtlens vormt. Vermits Einstein dergelijke beelden meer dan 70 jaar geleden al voorspeld heeft, noemt men zo een hoefijzer ook wel een Einsteinring.
Bron: ESA/Hubble & NASA, publiek domein.
Bewerkt door Bulwersator voor Wikipedia.

 

Vera Cooper Rubin (23 juli 1928, Philadelphia, Pennsylvania, USA – 25 december 2016, Princeton, New Jersey, USA) was een Amerikaanse astronome die in de jaren 1970 vaststelde dat er een discrepantie bestond tussen de snelheid waarmee spiraalvormige melkwegen ronddraaiden en de veronderstelde massa aan gassen en sterrenstelsels. Enkel door de aanwezigheid van donkere materie kan die snelheid correct worden voorspeld. Op de foto zien we Anne Kinney (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md) Vera Rubin (Dept. of Terrestrial Magnetism, Carnegie Institute of Washington), Nancy Grace Roman (Retired, NASA Goddard) Kerri Cahoy, (NASA Ames Research Center, Moffett Field, Californië) en Randi Ludwig. (University of Texas, Austin, Texas).
Deze foto werd genomen op de NASA Sponsors Women in Astronomy and Space Science 2009 Conference, gehouden aan de University of Maryland tussen 21 en 23 oktober 2009.
Bron: NASA, Publiek domein.

 

Melkwegstelsel Messier 101 (M101, ook bekend als NGC 5457, of met zijn bijnaam “Pinwheel Galaxy”) is een voorbeeld van een spiraalvormige melkweg.

Bron: European Space Agency & NASA Acknowledgements: Project Investigators for the original Hubble data: K.D. Kuntz (GSFC), F. Bresolin (University of Hawaii), J. Trauger (JPL), J. Mould (NOAO), and Y.-H. Chu (University of Illinois, Urbana) Image processing: Davide De Martin (ESA/Hubble) CFHT image: Canada-France-Hawaii Telescope/J.-C. Cuillandre/Coelum NOAO image: George Jacoby, Bruce Bohannan, Mark Hanna/NOAO/AURA/NSF – CC BY 3.0
http://www.spacetelescope.org/news/html/heic0602.html
http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2006/10/image/a

 

De massa van Higgs

Ten slotte is er wat natuurkundigen het hiërarchieprobleem noemen. Dat komt neer op de vraag waarom de zwakke kernkracht 1024 maal sterker is dan de zwaartekracht, en waarom is de massa van het Higgsboson zo klein (en toch niet nul)? Volgens het Standaardmodel zou de massa van dit boson zelfs oneindig groot moeten zijn (maar volgens de experimenten met de Large Hadron Collider is deze slechts 0,125 TeV). Opnieuw ligt de verklaring buiten de grenzen van het Standaardmodel, en moeten we dieper in de theorie duiken.

Geplaatst door Geert op 30/08/2017 om 22:27