Lezing over nieuwe ontwikkelingen in de deeltjesfysica
Door Prof. Nick van Remortel
De zoektocht naar een fundamentele theorie die aan de basis ligt van alle natuurfenomenen is een eeuwenlange queeste die reeds begon bij de Griekse filosofen.
De moderne natuurkunde reduceert alle materie tot een vrij beperkt aantal fundamentele bouwstenen: elementaire deeltjes. Hun gedrag wordt toegeschreven aan het uitwisselen van andere deeltjes, de zogenaamde krachtdragers. Onze huidige experimenten duiden op het bestaan van slechts vier fundamentele natuurkrachten, beschreven in twee formalismen: Het Standaard Model van de elementaire deeltjes dat het elektromagnetisme, de zwakke en de sterke kernkracht beschrijft en Einstein’s algemene relativiteitstheorie ter beschrijving van de zwaartekracht. De elegantie van beide theorieën, alsook de enorme precisie waarmee ze experimenteel zijn getest zijn onbetwist. Desondanks beseffen natuurkundigen dat beide onvolledig zijn en mathematisch niet compatibel.
Recente experimentele resultaten wijzen eveneens op inconsistenties tussen de microwereld en de macrowereld. Zo is slechts 4% van alles wat we in ons heelal zien opgebouwd uit materie die we tot nu toe kennen. Uitbreidingen en zelfs drastische herformuleringen van het Standaard Model trachten dit probleem te verklaren en doen eveneens een poging in de richting van een algemene unificatie van alle natuurwetten in één enkele theorie.
Gedurende 14 jaar spendeerden meer dan 7000 natuurkundigen uit meer dan 80 landen wereldwijd 5 miljard dollar aan de bouw van een nieuwe deeltjesversneller aan het Europees laboratorium voor elementair deeltjes onderzoek, CERN. Op 10 september 2008 werd deze nieuwe Large Hadron Collider (LHC) eindelijk in gebruik genomen. Op 4 juli dit jaar kondigden de twee grootste experimenten opgesteld bij de LHC aan dat ze een nieuw elementair deeltje hadden ontdekt. Binnen de huidige precisie van de meetresultaten wijst alles erop dat het hier het zogenaamde Higgs boson betreft: het laatste ontbrekende sluitstuk van het Standaard Model. De implicaties zijn belangrijk, de ontdekking bevestigt dat de meest fundamentele natuurwetten sterk zijn gefundeerd in de symmetrie van ruimte en tijd en dat haar diversiteit het gevolg is van de spontane schending van deze symmetrie. Het vertelt ook iets over de eigenschap van de lege ruimte, het vacuüm, dat nu blijkt doordrongen te zijn van een mysterieus energieveld: het Higgs veld.
Met deze doorbraak is het onderzoek pas echt herstart: het Standaard model dient uiteindelijk te worden vervangen door een meer omvangrijke theorie. Verschillende kandidaten zijn beschikbaar: supersymmetrie, extra dimensies...
Het is aan het LHC project om varianten van deze denkpistes gedurende de komende jaren te verwerpen of te bevestigen.