Komende week bespreken Europese natuurkundigen in Granada, Spanje, de toekomst van de Europese deeltjesfysica. Aan de CERN-Courier legt top-theoreticus Nima Arkani-Hamed (Princeton) uit waarom het de mooiste tijden ooit zijn voor fundamentele natuurkunde. En waarom een nieuwe versneller juist nu zin heeft.
Hoe staat de deeltjesfysica er volgens u voor? ‘Er is nog nooit zo’n mooie tijd voor natuurkundigen geweest als nu. De vragen die we nu hebben gaan niet over het ene of het andere detail, het zijn diepe vragen over de natuurwetten zelf. De mensheid verwonderde zich van oudsher over de aard van ruimte en tijd en de uitgestrektheid van het universum. Het is onze professionele taak om sprakeloos te zijn bij de allergrootste vage vragen. Ons werk is de volgende vraag. We hebben ons vier eeuwen door de min of meer eenvoudige vragen heen gewerkt. Nu is de vraag wat ruimte en tijd zijn. Wat is de oorsprong en het lot van dit enorme universum? We hebben het geluk dat we in een tijd leven waarin de mensheid die vraag voor het eerst op een serieuze manier weet aan te pakken. Ik zou vooral willen dat ik jonger was en vandaag als student mocht beginnen. Tegelijk is niet iedereen zo enthousiast als ik. Er is sprake van cognitieve dissonantie. Sommige mensen laten het hoofd hangen en klagen dat ze teleurgesteld zijn of zelfs depressief omdat we na het Higgs-deeltje niks meer ontdekt hebben.’
Wie heeft er gelijk? ‘ Dat hangt ervan af waar je vindt dat deeltjesfysica over gaat. Wat je motieven zijn om dit vak te kiezen. Een opvatting is dat de deeltjesfysica de bouwstenen van de materie bestudeert. In dat geval betekent nieuwe fysica vanzelf nieuwe deeltjes. Dat is het beeld van de deeltjesfysica van de jaren ’60 waarmee het Standaard Model is ontwikkeld. Maar dat is niet wat mij in het vak trok. Voor mij is deeltjesfysica het bestuderen van de fundamentele wetten van de natuur, die worden bestuurd door een mysterieus verbond tussen ruimte en tijd en quantummechanica. In de theorie vraagt de definitie van een deeltje zelfs tegelijk quantumtheorie en relativiteit. Als voor jou een plotje met een grote piek het meest opwindend is, met mogelijk een retourtje naar Stockholm erbij, dan is er na Higgs geen lol aan geweest. En misschien moet je je bal maar oppakken en naar huis gaan, want er zijn geen garanties. We doen dit vak voor de lange termijn, voor de decennia en eeuwen. En als je dat niet trekt, moet je iets anders gaan doen.’
Is het Standaard Model niet een perfect voorbeeld van de wetenschappelijke methode? ‘Zeker, maar een deel van de reden voor de snelle vooruitgang in de jaren ’60 is dat de intellectuele bagage van relativiteit en van quantummechanica er al lag, klaar om op te bloeien. Die theorieën en ontdekkingen vroegen echter veel meer tijd en inspanningen die veel verder gingen dan een piekje ontdekken. Nieuwe fysica gaat vooral over nieuwe fenomenen en nieuwe principes. De ontdekking van het Higgsdeeltje is in dat opzicht ongebruikelijk, en echt wel nieuwe fysica. Iets soortgelijks geldt voor een andere grote ontdekking van de laatste decennia: de versnelde uitdijing van het heelal. Beide ontdekkingen zijn gemakkelijk in te passen in onze vergelijkingen. Maar theoretische pogingen om de vacuümenergie of de Higgs-massa uit te rekenen blijken gigantische uitdagingen, die misschien zelfs met elkaar samenhangen. Terwijl wij als theoretici het hoofd krabben over hoe we vooruit moeten, weten experimentatoren dat heel goed: meten wat er te meten is. In veel opzichten is de Higgs de hoofdrolspeler in veel van deze verhalen, dus ik kan niet zo goed tegen het gepraat over de teleurstelling die de Higgs is. Dat is de wereld op zijn kop. Ik zie hoe fysici die moeite hebben om de politiek te overtuigen eigenlijk zichzelf niet weten te overtuigen waarom er nieuwe versnellers nodig zijn. Gelukkig hebben we nog steeds een kritische massa van fantastische jonge experimenteel natuurkundigen die het de moeite waard vinden om de Higgs helemaal aan gort te meten. En en passant aan het energiefront te zien wat er nog meer te vinden is. Zonder verwachtingen over wat daar dan zit.’
Wat maakt van het Higgs-deeltje zo’n dankbaar onderwerp voor toekomstige versnellers? ‘Het is het eerste voorbeeld dat we kennen van een simpel elementair deeltje. Het heeft geen spin, geen lading, alleen massa. De extreme eenvoud is verbluffend voor theoretici. Voor deeltjes met spin is er een reusachtig verschil tussen deeltjes met en zonder massa. Het foton bijvoorbeeld is een massaloos deeltje met spin 1. Omdat het met de lichtsnelheid beweegt kunnen we het niet inhalen, dus zien we alleen de twee manieren waarop het kan spinnen. Maar neem het Z-boson, dat ook spin 1 heeft maar wel massa. Dat kun je dus wel inhalen en dan zie je het in drie richtingen spinnen. Twee is geen drie, en het verschil is diepgaand. We schieten deeltjes met steeds meer energie op elkaar, dus zou je denken dat hun eigen massa er nauwelijks meer toe doen. Maar dat is niet zo, want er is dat diepe verschil. Het hele Higgs-verhaal gaat in feite over onderwerpen als twee of drie vrijheidsgraden, in verband met de W- en Z-deeltjes van de zwakke wisselwerking. Daarmee begrijpen we hoe de massa’s van deeltjes aan het Higgsdeeltje gekoppeld zijn. Maar de ironie is dan wel weer dat we niet begrijpen waar de massa van het Higgs-deeltje zelf vandaan komt. En dat komt weer doordat de Higgs geen spin heeft zodat je geen verschil tussen deeltjes met en zonder massa verwacht. De simpele schattingen van de Higgs-massa uit de interacties met deeltjes in het vacuüm zitten er spectaculair naast. Het Higgsdeeltje is een eenzaam beest, dat je niet zo snel zou verwachten. En niettemin is het er. De natuur heeft duidelijk andere ideeën over waar de Higgs goed voor is dan theoretici hebben.’
Is supersymmetrie nog steeds een goede reden om een nieuwe versneller te willen bouwen? ‘Supersymmetrie, extra dimensies en alle andere ideeën die de laatste veertig jaar zijn geopperd voor de fysica voorbij het Standaard Model spelen geen doorslaggevende rol in alle pleidooien voor nieuwe versnellers. Veel van de ideeën uit de jaren ’80 en ’90 op dit vlak zijn dood of op sterven na, dankzij de metingen met de LHC overigens. Maar veel recentere ideeën leven nog wel. Het feit dat de LHC een aantal ideeën heeft weggestreept, is geweldig voor theoretici. Het laat vooral zien dat het doorgronden van de Higgs een veel grotere denksprong vraagt dan we hadden gedacht. Gekker nog, als de LHC wel supersymmetrie had ontdekt zou dat nu de zaak voor een nieuwe cirkelversneller zwakker maken, omdat je dan liever een lineaire versneller hebt met elektronen en positronen om de interacties in detail te bestuderen. Als theoretici in het duister tasten, is er reden voor meer experimenten, niet minder.’
Welke antwoorden zal een toekomstige versneller ons geven? ‘Om te beginnen gaan we naar de hoogste energie omdat dat de grens is, daar moet je zijn voor nieuwe dingen. Terwijl er geen enkele garantie is van nieuwe deeltjes, geeft dat wel een stress-test voor onze bestaande wetten onder extreme omstandigheden. De eigenschappen meten van de Higgs zal zeker een aantal brandende kwesties beantwoorden. De ontdekking van de Higgs zal een kleinigheid blijken als we structuur in de Higgs zouden kunnen ontdekken. Met de LHC kunnen we niet goed zien of het een puntdeeltje is. Een zogeheten Higgsfabriek zou dat veel scherper kunnen maken. Waarbij de ultieme vraag is of de Higgs zich als een puntdeeltje gedraagt als het interactie met zichzelf heeft. De simpelste reactie in de deeltjesfysica is als drie deeltjes samenkomen in ruimte en tijd. In gewone deeltjes met massa en spin zie je dat nooit omdat relativiteit en quantumeffecten onzekerheid geven. Maar in theorie is de Higgs een deeltje dat dat wel kan. Een 100 TeV-versneller die miljarden Higgsdeeltjes produceert zal de zelfinteractie zien en ook heel precies. Ik krijg gewoon kippenvel als ik denk dat we dan de simpelste, meest fundamentele interactie echt zullen kunnen zien.’
Wat zijn de vooruitzichten voor de speurtocht naar donkere materie? ‘Er is een gek idee dat, een beetje zoals met supersymmetrie, het eenvoudigste idee van donkere materie als een zwak interactief WIMP-deeltje al helemaal van tafel is, na alle pogingen om ze rechtstreeks te meten. Niet dus. De simpelste WIMP-modellen zijn nog steeds interessant. Je kunt berekenen welke massa en lading een deeltje moet hebben om de rol van donkere materie te spelen. Dat is 1-3 TeV, veel te zwaar om in de LHC in voldoende aantallen te maken. Bovendien zijn ze nauwelijks in detectoren te vangen. Dus de simpelste donkere-materiemodellen zijn niet met de LHC of directe detectie te bekijken. Maar een 100 TeV-versneller heeft genoeg power om zulke deeltjes te vinden, of uit te sluiten dat ze er zijn.’
Heeft een 100 km versneller ook culturele waarde? ‘Experimenten in de deeltjesfysica zijn eigenlijk heel eenvoudig. We knallen dingen op elkaar met de grootste machines die we ooit gebouwd hebben, om de fundamentele wetten van de natuur uit te vinden op de allerkleinste afstanden die we kunnen zien. Dat is tegelijk diep en bevredigend simpel. Maar het gaat verder dan het gevoel dat we dit allemaal kunnen. De wereld heeft allerlei problemen, waarvan sommige misschien wel niet op te lossen zijn. Dan is het belangrijk om een groep mensen te hebben, die generatie na generatie het hoofd breken over ogenschijnlijk onmogelijke vraagstukken. Mensen die gedreven worden door dingen die groter zijn dan zijzelf. Stel je voor, het is 200 jaar na nu en er zijn geen versnellers op aarde. Hoe weten mensen dan dat Higgsdeeltjes bestaan, dat er zoiets is als een top-quark? Vooruitgang betekent dat je kunt wat we in het verleden konden, en meer. De laatste keer dat kennis alleen nog in stoffige boeken zat waren de donkere Middeleeuwen en dat was geen goeie tijd voor het Westen.’
Hoe rechtvaardig je de kosten voor een volgende versneller? ‘Er worden veel getallen genoemd, maar laten we uitgaan van 5 tot 25 miljard dollar. Dat klinkt als een heleboel geld, niet? Maar bedenk dat de wereldeconomie groeit, en dat de kosten van versnellers als percentage van het nationaal product de laatste 40 jaar nauwelijks is veranderd. Dan is een 100 TeV-versneller van dezelfde orde als we gewend zijn. En de wetenschappelijke kwesties die nu aan de orde zijn, zijn fundamenteler dan ze lang geweest zijn. We hebben een goeie science case.
Er wordt wel gezegd dat als we de miljarden niet aan een versneller besteden, we allerlei andere experimenten met dat geld kunnen doen. Ik ben een fan van kleinschalige experimenten, maar het is een slecht argument omdat wetenschapsfinanciering geen spel met een vaste pot is. De vraag is nooit of we 10 miljard aan een versneller willen besteden of aan iets anders. De vraag is meer of we überhaupt 10 miljard aan fundamentele natuurkunde willen besteden.
Een ander argument tegen een nieuwe versneller is dat we moeten wachten op fundamentele doorbraken in versnellertechnologie, in plaats van alleen maar een grotere versneller. Dat is naïef. Natuurlijk kunnen er wonderen gebeuren, maar in de wetenschap kun je niet op wonderen gaan zitten wachten. Dezelfde argumenten werden dertig jaar geleden gebruikt bij het afblazen van de SSC-superversneller in Texas, toen vooraanstaande vaste-stoffysici zeiden dat we moesten wachten op warme supergeleiders zodat de kosten voor de magneten dramatisch zouden dalen. Zulke hoge-temperatuurmaterialen zijn er nog steeds niet, terwijl de deeltjesfysica onverminderd succes na succes heeft geboekt met de beste technieken.’
Wat vindt u van de bewering dat versnellers niks wezenlijks meer produceren? ‘Het zou prettig zijn als de publieke discussie over nieuwe versnellers gevoerd zou worden door mensen met een goed begrip van de technische en wetenschappelijke kwesties. Maar dat is niet zo. Het grappige is zelfs dat tegenstanders niet eens de sterkste argumenten tegen het bouwen van versnellers aandragen. Dat zou ik beter kunnen. Twee jaar geleden was er een heftig debat in China over versnellers, met C.N. Yang als een sterk tegenstander van versnellers, in China en elders. Ik vond het fantastisch, want een sterke aanval organiseert zijn eigen sterkte verdediging. Die kwam toen van David Gross. Het was Godzilla vs. King Kong in de fysica, en het gebeurde op de opiniepagina van de grote kranten in China. Zo moet het.’
Waar werkt u nu zelf aan? ‘Ongeveer tien jaar geleden besloot ik dat veel kosmologische vraagstukken niet op te lossen zijn zonder een nieuw en beter beeld van ruimtetijd en quantummechanica. Om erin te komen ben ik met dat perspectief deeltjesprocessen in de LHC gaan bestuderen. Dat heeft een fascinerend avontuur opgeleverd, waarin we meer en meer nieuwe magische mathematische structuren een rol zien spelen. Sommige daarvan zitten dichtbij de echte wereld. Ik ben nu weer meer bezig met het oorspronkelijke doel van de exercitie, de kosmologie, de herkomst van de massa van het Higgsdeeltje, de uitdijing van het heelal en meer. Daarbij draait het altijd om het verlangen om diepe theoretische ideeën te verbinden met de realiteit. De echte wereld moeten we niet vergeten.’
(Interview door Matthew Chalmers, CERN-Courier april 2019)
De CERN Council Open Symposium on the Update of European Strategy for Particle Physics vindt plaats van 13-16 mei in Granada, Spanje.
