1
Die mooie theorie heeft echter één groot probleem. In de theorie hebben alle elementaire deeltjes massa nul! En daarmee zou ook alles om ons heen massaloos zijn d.w.z. gewicht nul hebben. Misschien zit u daar niet mee. Misschien vind u het zelfs wel fijn als de weegschaal nul zou aangeven i.p.v. 80 kilo. Maar natuurkundigen zoals ik zitten daar wel mee. Wij houden van een theorie die de natuur goed beschrijft. En niet maar half. En ik ben niet de enige, door de eeuwen heen hebben grote natuurkundigen geworsteld met het begrip massa. Newton & Einstein bijvoorbeeld. Als ik deze voetbal een trap geef schiet hij met grote snelheid weg. Als ik hetzelfde doe met deze bowlingbal rolt hij langzaam weg (en heb ik pijn aan mijn voet). 2
Newton vatte dit samen in deze formule: F=ma. In gewoon Nederlands: door een Kracht F, wordt een object met Massa m versnelt met een Versnelling a. Om een zwaar voorwerp te versnellen is een grotere kracht nodig dan om een licht voorwerp te versnellen. Daarom is het b.v. belangrijk dat sportauto s en racefietsen licht zijn. Nu is Newton s theorie prachtig: je kan er raketten mee naar de maan schieten. Maar Newton lost het massaprobleem van mijn elementaire deeltjes niet op. 3
Einstein is verantwoordelijk voor ongetwijfeld de bekendste formule: E=mc 2. In gewoon Nederlands: Energie E en Massa m zijn uitwisselbaar met als wisselkoers de lichtsnelheid c in het kwadraat. Die lichtsnelheid is gigantisch: 300 duizend km/s of in één seconde zeven keer de Aarde rond! Dit betekent dat een heel klein beetje massa enorm veel energie kan leveren. Dit is precies wat onze zon doet: massa omzetten in energie. Omgekeerd heb je heel veel energie nodig om een klein beetje massa te maken! Einstein s theorie is ook prachtig: je kan er kerncentrales mee maken. Maar net als Newton lost ook Einstein het massaprobleem van mijn elementaire deeltjes niet op. 4
Nu naar die elementaire deeltjes zelf. Wat zijn de elementairste deeltjes? Daarvoor kijk ik graag naar deze schoonheid: Met het blote oog komen we tot een fractie van een millimeter en zien we allerlei complexe structuren; Met een stukje Julia onder een microscoop komen we veel verder en zien we fantastische details: cellen, celkernen, chromosomen en DNA. Om door te dringen tot de kleinste bouwstenen van Julia vereist de krachtigste microscoop op Aarde. De deeltjesversneller. Daarmee komen we eerst moleculen tegen. Vervolgens het atoom met zijn negatief geladen elektronenwolk. Diep daarin de positief geladen minuscuul kleine atoomkern. Die atoomkern bestaat uit protonen en neutronen. Die op hun beurt weer bestaan uit quarks, in twee smaken (net als bij de AH): up en down. Het proton huisvest twee up-quarks en één down-quark terwijl het neutron twee down-quarks en één upquark huisvest. Heel eenvoudig toch? 5
Hoe ontdek je een elektron? Met dit apparaat! Met een forse batterij trek je deeltjes uit een gloeidraad. Dat is deze groenige bundel. Deze bundel kan je afbuigen met een magneet. Door hier nauwkeurig aan te meten hebben we zo n 100 jaar geleden ontdekt dat die bundel bestaat uit zeer lichte elektrisch geladen deeltje. Die deeltjes noemen we elektronen! Ditzelfde apparaat, eigenlijk een deeltjesversneller, heeft trouwens decennia lang in heel veel huiskamers gestaan. Als TV! Als u nog zo n oude TV, d.w.z. met zo n toeter, heeft dan kunt u vanavond zelf met een magneet gaan spelen en uw TV-beeld verstieren. En uw TV ook! 6
s Werelds grootste deeltjesversneller staat bij het CERN in Genève. Hij werkt net zo als deze kleine deeltjesversneller. I.p.v. elektronen worden hier protonen versneld met hele krachtige batterijen. En ze worden in hun baan gehouden door enorme supergeleidende magneten. En enorm staat voor een 27 km omtrek ondergrondse tunnel! Om de krachtigste deeltjesbotsingen te bereiken wordt niet een proton bundel versneld maar worden twee proton bundels frontaal op elkaar geklapt. U ziet hier zelfs de quarks in de ene proton bundel. In iedere botsing worden grote aantallen nieuwe deeltjes gecreëerd. Door met enorme detectoren nauwkeurige foto s te maken van deze botsingen proberen we nieuwe elementaire deeltjes te ontdekken! De kracht waarmee die deeltjes op CERN op elkaar klappen is trouwens vergelijkbaar met dat wat er in ons Universum gebeurde toen het zo n miljoenste van een miljoenste van een seconde jong was! Zo bekeken bootsen we op CERN de omstandigheden van ons piepjonge Universum op kleine schaal na! 7
Hier een foto van één zo n proton-proton botsing. Je ziet een groot aantal sporen van nieuw gecreëerde deeltjes (E=mc 2 ). Alle witte spoortjes zijn een beetje krom vanwege het sterke magneetveld waarin de detector staat. Beetje krom betekent dat ze makkelijk af te buigen zijn en dus weinig energie hebben. De twee gele sporen zijn vrijwel recht. Dat zijn sporen met heel veel energie en daarom de interessantste. Met Einstein s theorie en met name via de formule E=mc 2 kan je een massa toekennen aan de twee gele sporen. Door dit voor heel veel proton-proton botsingen te doen krijg je dan een frequentie verdeling van gevonden massa s. 8
Die zie je hier voor een paar miljoen proton-proton botsingen van het type wat ik net heb laten zien. Nu gebeurt er iets waar een fysicus als ik echt opgewonden van raakt. Deze verdeling heeft pieken! Bijna iedere piek wijst op het bestaan van een elementair deeltje. Ik had jullie al verteld over het elektron en de up- en down quarks. Deze piek bijvoorbeeld wordt veroorzaakt door een nieuw type quark. Echt geweldig als je in je onderzoek zo n piek vindt. Realiseer je dat je dan een van de allerkleinste bouwstenen van ons Universum ontdekt. Ik zelf heb de beste jaren van mijn leven gewerkt aan deze piek. 9
En nu terug naar de massa s van de verschillende elementaire deeltjes. In het begin heb ik gesteld dat we daar een theoretisch probleem mee hebben d.w.z. hoe krijgen we de echte massa s van de elementaire deeltjes netje in onze formules? Klinkt simpel, maar dat is het dus niet. Zo n 50 jaar geleden deed Peter Higgs daarvoor een revolutionair voorstel. Hij veronderstelde dat het hele Universum gevuld is met een veld. Nu hoor ik u denken: Een veld wat is dat? Zonder dat u het weet, maakt u dagelijks gebruik van natuurkundige velden. Magnetische velden worden b.v. gebruikt in dynamo s en elektromotoren. Ik kan zo n veld zichtbaar maken met wat ijzervijlsel. Kijk, nu ziet u het veldlijnen patroon. Een veel belangrijker veld is het elektromagnetische veld. Als u mij belt gaat er een elektromagnetische golf, d.w.z. een in de tijd simultaan veranderend elektrisch- en magnetisch veld van uw telefoon via een zendmast naar de mijne! U ziet er niets van, maar het is er wel en het werkt! Daarom is natuurkunde zo mooi! 10
Terug naar dat veld van meneer Higgs. Dat veld is zodanig dat het de elementaire deeltjes massa geeft doordat het plakt aan de elementaire deeltjes. Aan lichte deeltjes plakt het amper en daarom zijn ze licht. Aan zware deeltjes plakt het enorm en daarom zijn ze zwaar. Beetje flauw, maar het kan wel werken! Vergelijk het veld maar met sneeuw: - Een licht deeltje is als iemand op ski's: die glijdt makkelijk over de sneeuw; - Een zwaar deeltje is als iemand op sneeuwschoenen: die ploetert moeilijk door de sneeuw. En nu zijn we er bijna. In de natuurkunde hoort bij ieder veld een deeltje. Zo hoort b.v. bij het elektromagnetische veld van uw telefoon het lichtdeeltje. Lichtdeeltjes komen b.v. uit deze laserpointer. Als de Higgs s hypothese juist is dan moet er ook een deeltje bij horen. Dat deeltje heet het Higgs deeltje en er is de afgelopen 50 jaar zeer intensief naar gezocht. 11
En in 2012 hebben we hem gevonden! Vinden betekent een nieuwe piek zien in een verdeling zoals ik eerder liet zien. Hier ziet u de beste verdeling om in te zoeken. De meetgegevens komen per dag binnen. De rode verdeling is wat we verwachten te zien zonder een Higgs deeltje. Als er in de data punten ergens een piek ontstaat die afwijkt van de rode verdeling dan heb je de Higgs ontdekt! (En kan je de Nobelprijs in Zweden ophalen). Hier gaat hij dan: 2011,, 2012,. En nu is de dataset compleet. En jawel: een mooie extra piek bij 125 keer de massa van het proton. Dat is de ontdekking van de Higgs. Zo simpel is het. 12
Toch ongelooflijk he: iemand verzint 50 jaar geleden iets revolutionairs en voor u vast compleet idioots. En dan blijkt het gewoon waar te zijn: De Higgs bestaat echt! En u heeft hem nog nooit gezien! Maar goed: u heeft ook nooit een elektron gezien! Toch? En daar begon de elementaire deeltjes natuurkunde ruim 100 jaar geleden mee. En stel u eens voor hoe uw dagelijks leven er uit zou zien zonder alles wat elektronen u al gebracht hebben: al die elektrisch apparaten! 13
En nu toch nog even terug naar de vraag in dit college: Massa: Hoe zit dat? Is massa, bijvoorbeeld onze eigen massa, nu echt allemaal de schuld van meneer Higgs? Nee! De massa s van alle elektronen, up en down quarks in ons lijf tellen namelijk slechts 1% van onze eigen massa. De rest? De energie waarmee de quarks klonteren tot protonen en neutronen! Via E=mc 2 geeft dat bijna 99% van onze massa! Kortom: Einstein is de schuld van uw massa! In het volgende college ga ik u uitleggen waarom: Reizen naar Mars gevaarlijk is 14