De ontdekking van het Higgsboson

Dat ik de late jaren zeventig heb overleefd, moet zijn geweest doordat ik een abonnement had op Kijk. Je was drie dagen bezig om het allemaal te lezen maar dan had je ook iets geleerd over het sterrenschip Daedalus, over dinosaurussen, over het Oera Linda-boek, over gewasveredeling of de unificatie van de natuurkrachten. Dat laatste artikel, met de constatering dat het niet wilde vlotten omdat de zwaartekracht een buitenbeentje bleef, moet in het nummer van maart 1979 hebben gestaan, gewijd aan de honderdste geboortedag van Albert Einstein.

Kijk maakte wetenschap leuk en maakte natuurkunde spannend. Dat bleef het – tot ik het vak kreeg op de middelbare school. Mijn leraren konden er ook niets aan doen: terwijl mijn vrienden en ik alles wilden weten over relativiteit en elementaire deeltjes, moesten zij les geven over saaie puntmassa’s die met saaie eenparig versnelde bewegingen saai naar beneden vielen. Tegenover de verbazing om het allerfundamenteelste stond de realiteit van het onderwijs.

Het leukste van De melodie van de natuur, het boek waarin Ivo van Vulpen (Nikhef) het Standaardmodel uitlegt en de lezer meeneemt op weg naar het Higgsboson, vond ik dat het dat oude Kijk-gevoel weer opriep. Dat je weer een wijsneus bent van veertien en je weer kunt verbazen. Maar er is meer te prijzen.

Kleiner en kleiner

Eén, Van Vulpen vertelt het gehele verhaal. Of althans een heel groot deel. De kern van De melodie van de natuur is de ontdekking van het Higgsboson, maar Van Vulpen neemt een behoorlijke aanloop. Eerst dus een hoofdstuk waarin enkele principes worden uitgelegd, daarna een hoofdstuk over de ontdekking van het atoom: protonen en elektronen dus, maar ook spin, radioactiviteit – kortom, een opfriscursus van wat u leerde op de middelbare school. Dan een hoofdstuk over de volgende, diepere laag van het atoom: de quarks en de neutrino’s dus, en muons en pionen, ofwel de menagerie van curieuze deeltjes waarover u las in de wetenschapsbijlage van uw weekendkrant.

Het Standaardmodel, waarmee natuurkundigen elektromagnetisme en de twee kernkrachten beschrijven, vormt het onderwerp van het volgende hoofdstuk. Het grote probleem is dat het Standaardmodel zich niet goed laat rijmen met het harde gegeven dat deeltjes massa hebben. Daarop biedt Higgs een antwoord.

De beste analogie waarmee we de essentie van het Higgsmechanisme vangen is dat de ruimtetijd gevuld is met iets waar deeltjes aan blijven kleven. Sommige deeltjes kleven sterk aan het veld, bewegen zich daarom langzaam voort door de ruimte, en zijn zwaar. … De truc waarmee Higgs massa gaf aan de deeltjes kwam echter niet zonder prijs. Higgs voorspelde dat als zijn idee waar zou zijn, er nog een extra deeltje moest bestaan.

De onderzoekspraktijk

Hoe dat deeltje, het Higgsboson, is ontdekt, is het onderwerp van het hoofdstuk waar het Van Vulpen om te doen is. Hij voert de spanning wel op door eerst uitgebreid te vertellen over de wijze waarop het CERN in Genève onderzoek verricht. Van Vulpen heeft overigens veel van dit soort digressies: hij beschrijft in elk hoofdstuk met welke methoden deze of gene ontdekking is gedaan en hoe de betreffende instrumenten werken. Dat kan variëren van een calorimeter tot de large hadron collider. Het tweede sterke punt van De melodie van de natuur is dat Van Vulpen zo aangeeft hoe we weten wat we weten.

Hij gaat ook uitgebreid in op het sociologische aspect van zo’n enorm wetenschappelijk project: je moet op een of andere manier duizenden wetenschappers en technici in dezelfde richting laten marcheren. Marco de Baar van het Differ vertelde me ooit precies hetzelfde over projecten om kernfusie tot stand te brengen: het moeilijkste is om de condities te behouden waaronder de uiteenlopendste mensen samenwerken. De gemeenschappelijke droom van inzicht blijkt het smeermiddel dat het mogelijk maakt. Het zou vermoedelijk ook over het Apolloproject te zeggen zijn. Dat spreekt mij buitengewoon aan, zoals ik al eens eerder schreef: kennis verbindt.

Wat we niet weten

In het slothoofdstuk, nadat Van Vulpen heeft verteld hoe het Higgsboson in 2012 is ontdekt, gaat hij nog in op wat we allemaal niet weten. Waarom er überhaupt iets is. Waarom er zwaartekracht bestaat. Welke fenomenen we niet begrijpen. Met daaruit voortvloeiend drie nieuwe onderzoeksthema’s. Dat zijn de donkere materie, extra dimensies en de unificatie van de natuurkrachten – op dit punt is dat Kijk-nummer uit 1979 nog steeds actueel. Dat er veel te vragen overblijft en dat veel niet bekend is, vond ik een derde sterk punt.

Uitleggen is een kunst

Maar wat me in De melodie van de natuur vooral trof, is hoe helder Van Vulpen vertelt. De hierboven geciteerde analogie, dat er iets moet zijn waaraan deeltjes blijven kleven, is een voorbeeld. Vaak gebruikt hij slimme vergelijkingen, zoals dat de energie van één proton weinig voorstelt, maar dat er in de large hadron collider miljarden tegelijk zijn met samen de energie van een trein op volle snelheid die dan ook nog tienduizend keer per seconde een rondje draait door die enorme tunnel.

Van Vulpen, die ook een van de initiatiefnemers is van het muurformule-project in Leiden, weet hoe je stof aan het grote publiek moet overdragen. Eén idee heb ik alvast van hem gestolen. Hij heeft de gewoonte elke paragraaf in te leiden met twee of drie cursief geplaatste zinnen, waarin hij het voornaamste samenvat. Als u straks Hannibal in de Alpen leest, weet u waar ik dat vandaan heb. Wat ik maar zeggen wil: Van Vulpens De melodie van de natuur is een fijn boek. Aanbevolen.

10 gedachtes over “De ontdekking van het Higgsboson

  1. FrankB

    Het is nogal lastig relativiteit te begrijpen zonder verstand te hebben van puntmassa’s en eenparig versnelde bewegingen. Maar ja, wie ben ik. Kijk trok mij nooit erg, natuurkundelessen wel.

    “je moet op een of andere manier duizenden wetenschappers en technici in dezelfde richting laten marcheren.”
    Ja, natuurkundigen enz. moeten tegenwoordig teamspelers zijn. Dat is wel misleidend aan de Nobelprijs. Het beeld van de geniale wetenschapper die in zijn uppie de ene na de andere briljante inval verwerkt is al heel lang achterhaald. Dat gold zelfs al voor Albert Einstein (heeft Kijk destijds ook specials gewijd aan Hendrik Antoon Lorentz en Henri Poincaré?).

    “Waarom er überhaupt iets is.”
    Die vraag zal nooit beantwoord worden. Elk zinnig antwoord levert namelijk een nieuwe waarom vraag op. In de filosofie heet dat oneindige regressie.
    Het vierde onderzoeksgebied is donkere energie.

  2. Martin van Staveren

    Het is wel wat misleidend om te zeggen dat er eerst massaloze deeltjes zijn die vervolgens een massa krijgen. Er was eerst een model voor massaloze deeltjes, waaruit een model voor deeltjes met massa gemaakt moest worden. Er wordt dus verondersteld dat het heelal eerst een hoge symmetrie (SU(2)) gehad zou hebben, maar dat die vervolgens zou zijn gebroken. Door te stellen dat het model een gebroken symmetrie moet hebben krijg je een model voor massieve deeltjes. Die symmetrie breking is dus een manier om een ander model te krijgen, maar of het ook een fysisch proces is geweest? Ik heb wel eens een tekst van Vulpen gezien waarin staat “We now break the symmetry”, wat een rare antropomorfe formulering is. Als het heelal in het begin echt een SU(2) symmetrie zou hebben gehad, waar is die symmetrie breking dan door veroorzaakt? Het heelal heeft nu dus een arbitraire “Higgs fase”, hoe kan dat? Ik vermoed dus dat het boekje van Vulpen te simplistisch is.

    1. FrankB

      “Het is wel wat misleidend om te zeggen dat er eerst massaloze deeltjes zijn die vervolgens een massa krijgen.”
      Gelukkig dan maar dat dat nergens staat, integendeel:

      “het harde gegeven dat deeltjes massa hebben”.
      U vult aan. Dat is mooi. Een probleem is wel wat er in de eerste lijn voorlichting moet en wat niet. Ik heb er nou eens geen uitgesproken mening over of symmetrie(breking) erbij hoort of niet.

      “Ik vermoed dus dat het boekje van Vulpen te simplistisch is.”
      Alle wetenschappelijke voorlichting is per definitie te simplistisch. Consequent doorgetrokken is zelfs elke wetenschappelijke theorie te simplistisch, omdat onze natuurlijke werkelijkheid altijd ingewikkelder is dan welke theorie ook kan beschrijven. Uw vermoeden is dus altijd juist en daarom betekenisloos.
      Precies daarom is het nagenoeg onmogelijk precies vast te stellen welk niveau boekjes als van Vulpen moeten hebben, wat er wel en wat er niet in moet. Precies daarom hamert JonaL in elk stukje op het belang van de tweede lijn.

      https://mainzerbeobachter.com/2018/01/22/mom-over-wetenschapscommunicatie/

      Dit is niet om u tegen te spreken; ik begrijp net genoeg van natuurkunde om het belang van symmetrie(breking) te (h)erkennen. U hebt een goed argument gemaakt waarom het bij de eerste lijnsvoorlichting hoort. Misschien heeft Vulpen het er ook wel over en heeft JonaL – die slechts een recensie schrijft – het genegeerd.

  3. Dirk Zwysen

    Kijk kwam bij ons in jaren ’90 binnen. Het abonnement werd uiteindelijk stopgezet omdat mijn ouders de indruk hadden dat het blad steeds minder aandacht voor wetenschap en steeds meer voor wapentuig kreeg. Van fysica en chemie begreep ik als Latijn-Griek niet veel. De fascinatie voor wat daarbuiten is, werd gewekt door Star Trek.

  4. Leuk, Kijk! Heb ik in de 70-er jaren verslonden. Ik vond het vooral leuk dat het aanbod aan wetenschappen heel breed was. Er stond altijd wel iets interessants in.

    En puntmassa’s zijn niet saai, Jona. Ze werken heel handig in modellen. Alleen bestaan ze niet. Maar dat is niet saai…

  5. Martin van Staveren

    https://home.cern/science/physics/higgs-boson

    “Just after the big bang, the Higgs field was zero, but as the universe cooled and the temperature fell below a critical value, the field grew spontaneously so that any particle interacting with it acquired a mass. The more a particle interacts with this field, the heavier it is.”

    Dit idee is naar analogie met faseovergangen, zoals die van paramagnetisme naar ferromagnetisme, daarbij krijg je bij dalende temperatuur ook een faseovergang en een magnetisatie richting. Het Higgs field moet aan het begin nul geweest zijn, vanwege de vereiste SU(2) symmetrie. Dan bij dalende temperatuur een een spontaan (!) ontstaan Higgs veld met dus een arbitraire fase. Bij een ferromagnetische overgang zijn er storingen van buiten, die de overgang in een bepaalde richting kunnen kiepen. Maar als het gehele heelal een SU(2) symmetrie heeft, dan zijn er geen extern veroorzaakte fluctuaties, tenzij je zou willen geloven dat Onze Lieve Heer het universum een zetje heeft gegeven.

  6. Rob Duijf

    ‘Het zou vermoedelijk ook over het Apolloproject te zeggen zijn. Dat spreekt mij buitengewoon aan, zoals ik al eens eerder schreef: kennis verbindt.’

    Over clichés gesproken… 😉

    Het Apolloproject is een goed voorbeeld van hoe door verschillende wetenschappelijke disciplines samen te laten werken een tot op heden ongeëvenaarde stap in de menselijke geschiedenis kon worden gezet. Er was een gemeenschappelijke drijfveer om tot die prestatie te komen en daarvoor was de verbinding van kennis noodzakelijk.

    Dat is echter de helft van het verhaal. De andere helft is dat de VS, midden in de Koude Oorlog en de wapenwedloop, in de bestorming van de ruimte door de Sovjet Unie naar het tweede plan werden verwezen: eerste satelliet (Spoetnik), eerste levende wezen (hondje Laika), eerste kosmonaut (Youri Gagarin) en nog wat eerstes. Ook dat waren prestaties van formaat, waarbij kennis de inzet was om grootse resultaten te realiseren.

    Tot op heden zijn het de militaire defensies van de elkaar beconcurrerende partijen die het speelveld bepalen.

    Dus de kennis van de ene partij wordt verbonden om de kennis van de andere partij te beconcurreren. En dat gaat tot op heden door. Waar de strijd om de aarde al duizenden jaren gaande is, is de strijd om de ruimte nog maar net begonnen. Nieuwe spelers dienen zich aan, zowel naties als private partijen; ruimtevaart als speeltje van miljardairs. Nu dient de vraag zich aan van wie de ruimte eigenlijk is? Van wie is de maan, van wie de planeten? De zon? Te ingewikkeld, maar als we die zouden kunnen exploiteren, dan zouden we het doen, net zoals er al lang wordt nagedacht over de exploitatie van de Aardse polen nu door antropogeen handelen de gelegenheid zich voordoet.

    Kennis is noodzakelijk; zonder kennis kunnen wij als moderne mensen niet bestaan. Maar kennis is ook beperkt, fragmentarisch. Het menselijk denken is kennis, dus het denken is beperkt, fragmentarisch. Het denken verdeelt. Waar verdeeldheid is, is verbinding een issue.

    Dus kennis verbindt niet, kennis verdeelt. Dat is de wereld die wij hebben voortgebracht, dat is ons bewustzijn. En dat is ook het bewustzijn waarmee we de ruimte bestormen. Kennis is wat ons verdeeld houdt, niet wat ons bindt. Kennis is noodzakelijk, maar het is niet de Heilige Graal.

    De mens heeft behalve denkvermogen, ook het vermogen tot scepsis. We leren dat vermogen echter niet aan te spreken. Dat is een ernstig gebrek aan onze opvoeding! Twijfel is een kunst. Die kunst valt te leren door hem uit te voeren. Als we zelf feitelijk inzien wat ons verdeeld houdt, krijgt kennis de bescheiden plaats die het verdient en zij we in staat het op een intelligente en constructieve wijze in te zetten, i.p.v. de dominante, zelfzuchtige en destructieve manier waarop we er nu gebruik van maken.

  7. Rob Duijf

    Natuurlijk! Ontkennen is geen twijfel. Gezonde scepsis wil zeggen dat je het vermogen hebt tot zelfonderzoek, te beginnen bij je eigen gelijk. Dat vraagt om een conditie van innerlijke openheid; een geest die niet geconditioneerd is, nergens voor anker ligt, maar de vrijheid heeft om te bewegen, te onderzoeken wat waar is en wat niet.

Reacties zijn gesloten.