Een halve eeuw geleden vonden natuurkundige de route naar een moderne deeltjestheorie. Haast onopgemerkt, op een conferentie in Amsterdam. Vlak voor de lunch en het toeristische uitstapje.
De datum is zaterdag 3 juli 1971. Ergens in de ochtend. De plaats: een zaaltje in de RAI in Amsterdam. Zoveel weten betrokkenen zich een halve eeuw nog wel te herinneren. Maar in de proceedings van de Amsterdam Conference on Elementary Particles, van 30 juni tot 6 juli, ontbreekt de historische doorbraak volkomen.
De reden daarvoor, schrijft wetenschapshistoricus en natuurkundige Frank Close in zijn gedetailleerde boek The Infinity Puzzle (2011), is dat de bijdrage pas op het allerlaatst in het programma is toegevoegd. “En nu introduceer ik de heer ’t Hooft, die een theorie heeft die minstens zo elegant is als alles wat we eerder hebben gehoord”, zegt voorzitter Tini Veltman. De rest is geschiedenis, letterlijk.
Promovendus Gerard ’t Hooft van de Universiteit Utrecht mag het laatste kwartier van de ochtendsessie nog snel een nieuw resultaat presenteren. Daarna staan een lunch en een uitstapje met de bus naar Volendam en Marken op het programma. Het is lichtbewolkt maar warm en droog, die middag.
’t Hoofts overheadsheets zijn door zweethanden en een slechte stift vlekkerig, maar zijn verhaal die ochtend staat voor zover het te volgen is als een huis. Hij laat zien dat het mogelijk is om een zogeheten Yang Mills veldentheorie te construeren, waarin oneindigheden worden vermeden en krachtdeeltjes een massa kunnen hebben.
Dat is nieuw. Natuurkundigen worstelen al jaren met de vraag hoe ze een fatsoenlijke veldentheorie kunnen construeren met iets anders dan massaloze geladen krachtdragers. De aloude quantumtheorie van elektromagnetisme (QED) kent fotonen, massaloze en ongeladen lichtdeeltjes.
Die theorie heeft lang problemen gehad, omdat rechtstreeks rekenwerk snel verzandde in oneindigheden in plaats van realistische natuurkunde. Theoretici Yang en Mills losten dat probleem in de jaren vijftig op. Maar alleen voor deeltjes zonder massa.
Renormalizable Lagrangians for massive Yang-Mills fields is de titel van ’t Hoofts bijdrage die een paar weken na de conferentie in Amsterdam in Nuclear Physics wordt gepubliceerd. Het is de basis voor de Nobelprijs voor natuurkunde die hij en zijn promotor Tini Veltman in 1999 zullen krijgen. Voor het wiskundig beschrijven van de elektrozwakke kracht, de kracht die door massieve W en Z-deeltjes wordt gedragen.
Om dat voor elkaar te krijgen combineerde ’t Hooft in 1971 de Yang-Mills veldentheorie met een toen nieuw idee uit de theoretische fysica: het mechanisme dat tegenwoordig simpelweg vernoemd is naar Peter Higgs. Daarin geeft een extra universeel medium deeltjes hun massa.
Die toevoeging van het Higgs-mechanisme, vinden ‘t Hooft en Veltman in 1971 als eersten uit, verstoort de theorie van Yang en Mills niet, en staat toch massieve krachtdeeltjes als de W en de Z toe. De route naar een bruikbare theorie van de elektrozwakke wisselwerking is gevonden. De W en Z worden in de jaren ’80 op CERN gevonden.
’t Hoofts verhaal in Amsterdam maakt niet direct enorme indruk, mogelijk door het timide optreden van de jonge Nederlandse promovendus tussen tal van grootheden uit het vak. Dat juist hij de langgezochte doorbraak presenteert in een paar sheets, lijkt onwaarschijnlijk en dringt bij velen pas later door, noteert Close.
In de jaren na de doorbraak vinden anderen op een vergelijkbare manier ook een steekhoudende theorie voor de sterke kernkracht, de derde fundamentele kracht in de deeltjeswereld. Het zogeheten Standaardmodel is een feit, een bruikbare theorie die wisselwerkingen in de subatomaire wereld beschrijft en in verreweg de meeste experimenten fier overeind blijft.
In 2012 werd op CERN het Higgsdeeltje gevonden dat definitief het bestaan bewijst van het universele Higgsveld, het essentiële ingrediënt van de theorie van ’t Hooft en Veltman.
Het artikel van ’t Hooft uit 1971 (in Nuclear Physics) is nog altijd een van de meest geciteerde papers in de theoretische natuurkunde. De overheadsheets van zijn voordacht in Amsterdam heeft hij niet bewaard.
(Meesterverteller Frank Close hield op 30 juni op Nikhef een online lunchpraatje over de lastige theoretische aanloop naar de moderne deeltjestheorie en de doorbraak van 1971. Opnames van die bijeenkomst zijn hier te bekijken.)