De Amerikaanse Nobelprijswinnaar Natuurkunde David Gross ontdekte de kracht die de bouwstenen van de materie samenhoudt. Eind volgend jaar zit hij de nieuwste sessie van de prestigieuze Solvay-conferenties in ons land voor.
Het moet een van de mooiste indoorzwembaden van het land zijn. Een spiegelglad wateroppervlak, waarop enkele bloemen drijven, dat netjes de bovenrand raakt van de marmeren vloer eromheen. Japanse wandtapijten aan de muren van de zaal. Geen spoor van chloor of andere dampen. De gastvrouw maant haar bezoekers discreet aan voorzichtig te zijn – af en toe valt een verstrooide gast in het water.
Mevrouw Jacques Solvay stuurt de avond met zachte, maar krachtige hand. De rol van haar hoogbejaarde, maar geestelijk nog heel alerte man beperkt zich tot het voorlezen van een korte speech. Het koppel heeft een diner georganiseerd ter ere van de Amerikaanse natuurkundige David Gross, die een maand geleden de Nobelprijs Natuurkunde kreeg voor zijn ontdekking van de eigenschappen van de sterke kernkracht: de kracht die de elementairste bouwsteentjes van de materie (de quarks) samenhoudt.
Gross was al ten huize Solvay geïnviteerd vóór hij zijn prijs kreeg. Maar hij stond erop de invitatie na te komen. Hij is namelijk voorzitter van het wetenschappelijk comité dat de editie 2005 voorbereidt van de bijeenkomsten van het legendarische Internationaal Solvay Instituut – volgens Gross een instelling die de waarde van het Nobelprijscomité benadert.
Ernest Solvay, de overgrootvader van de gastheer, was een visionaire man met een grote interesse in natuurkunde. In 1911 organiseerde hij de eerste Solvay-conferentie, met Albert Einstein, Max Planck en Marie Curie onder de aanwezigen, in het prestigieuze Brusselse hotel Metropole waar ook Gross volgend jaar verzamelen zal blazen voor de belangrijkste natuurkundigen van deze tijd. De Vlaamse en Franstalige vrije universiteiten van Brussel zullen mee de praktische organisatie verzorgen.
Het thema van de vergadering zal de quantumstructuur van de ruimtetijd zijn, met zijn consequenties voor kosmologie, quantumzwaartekracht en snarentheorie – de hete hangijzers uit de natuurkunde van nu. Gross is er namelijk van overtuigd dat er iets fundamenteels hapert aan het concept van de ruimtetijd: de grootheid die ruimte en tijd verbindt in één tijds- en drie ruimtelijke dimensies, waarbij de kromming van de ruimte het verstrijken van de tijd beïnvloedt.
Tijdens het diner toont Gross dat hij ook aardse debatten aankan. Hij verschilt grondig van mening met de speciale gezant voor Europa van de Amerikaanse president George W. Bush, die vindt dat er geïnvesteerd moet worden in een ruimtelaserschild omdat er íéts gedaan moet worden tegen de vele dreigingen. ‘Belachelijk’, aldus Gross. ‘Iedere natuurkundige met een beetje gezond verstand weet dat zo’n ruimteschild niet kán werken. Al was het maar omdat het schild miljarden dollars zal kosten, terwijl elke ingreep om het te omzeilen slechts een fractie van dat bedrag zal vergen. Ik begrijp zelfs niet dat er mensen zijn die dat niet zien.’
Puntachtige objecten
De Nobelprijs heeft Gross’ leven fundamenteel veranderd: ‘Het is alsof er plotseling een orkaan in je bestaan opsteekt.’ Meer dan dertig jaar heeft hij op de prijs moeten wachten, want het werk waarvoor hij samen met twee collega’s – één daarvan was zijn eerste student – bekroond werd, dateert al van 1973. ‘Mensen zijn altijd een beetje achterdochtig ten opzichte van theoretici’, vertelt hij daar nu over. ‘Het is makkelijker als je een experimentele ontdekking doet, want die is meestal duidelijk vanaf het begin. Theorieën moeten bevestigd worden door de natuur. En die is dikwijls moeilijker te vermurwen dan het Nobelprijscomité. De natuur moet willen meewerken om haar geheimen prijs te geven.’
Een dag na het diner legt Gross gedetailleerd het parcours uit waarmee hij tot de ontdekking kwam die hem nu de grootste wetenschappelijke erkenning ter wereld opleverde. En blikt hij vooruit, naar de toekomst, want de weg is nog lang niet afgelegd.
‘Voor mij begon alles eind jaren zestig’, vertelt hij, ‘met experimenten in een deeltjesversneller waarin de structuur onderzocht werd van het proton: een deeltje uit de atoomkern. Daar waren indicaties voor een patroon uitgekomen, die erop wezen dat een proton misschien bestond uit een aantal quarks: basisdeeltjes waarover al gesproken werd, maar die niemand gezien had, zodat niemand er een idee van had hoe ze functioneerden. Uit de experimenten bleek dat protonen zouden bestaan uit een aantal puntachtige objecten die onafhankelijk van elkaar bewogen. We konden het proton beschrijven als een zak waarin een aantal quarks los van elkaar rondtolden, maar waaruit ze niet konden ontsnappen.’
Dat creëerde twee problemen. Er was, ten eerste, geen enkele theorie die zo’n gedrag kon verklaren. En, ten tweede, als de samenstellende delen effectief quarks waren, dan moest er een vorm van interactie tussen hen bestaan, want als protonen in deeltjesversnellers aan flarden geschoten werden kwamen er nooit quarks vrij, wel bijvoorbeeld elektronen – de negatief geladen atoomdeeltjes die rond de kern met positieve protonen en neutrale neutronen cirkelen.
‘Er moest dus een soort kracht zijn die de quarks samenhield’, vervolgt Gross. ‘En die kracht moest heel sterk zijn, want anders zouden quarks bij botsingen tussen deeltjes naar alle kanten vliegen. Het grootste mysterie was echter de vraag waarom quarks, als er dan toch zo’n sterke kracht op inwerkte, zich gedroegen alsof ze volledig vrij van elke invloed waren, alsof er géén kracht was. Met dat mysterie was ik vijf jaar obsessief bezig.’
Veel denk- en rekenwerk leidde uiteindelijk tot het concept dat Gross de Nobelprijs opleverde: asymptotische vrijheid, de enige manier om binnen de beperkingen van de bestaande natuurkundige theorieën het bizarre gedrag van quarks in een atoomdeeltje te verklaren. ‘We vertrokken van enkele theorieën uit de jaren vijftig waarin deeltjes in de plaats van één lading, zoals bij elektriciteit en magnetisme, meerdere ladingen konden dragen. Die ideeën waren begin jaren zeventig in de mode geraakt, omdat ze nuttig waren bij het in elkaar vlechten van de elektromagnetische kracht met de zwakke kernkracht: een kracht op het niveau van de atoomkern die verantwoordelijk is voor onder meer radioactief verval. Tot onze verrassing bleken deze theorieën ook in staat het bizarre gedrag van quarks te verklaren. We hadden de theoretische basis voor de sterke kernkracht blootgelegd!’
Dat werd niet gevierd. ‘Als je zo’n doorbraak realiseert, duik je niet het nachtleven in’, grinnikt Gross. ‘Je begint meteen als een bezetene te rekenen om naar de consequenties van je ontdekking te peilen.’
Ver én krachtig
En die consequenties waren groot. De klassieke krachten tussen twee deeltjes (aantrekking als de lading verschillend is, afstoting als ze dezelfde is) verminderen met de afstand: hoe verder de deeltjes van elkaar verwijderd zijn, hoe kleiner de kracht. Maar in het geval van quarks was het omgekeerde aan de orde: als quarks zich heel dicht bij elkaar bevinden, hebben ze een heel hoge energie maar spelen er bijna geen onderlinge krachten – de deeltjes bewegen zich virtueel los van elkaar. Hoe verder ze echter van elkaar verwijderd zijn, hoe groter de krachten die tussen hen spelen. Met als logisch gevolg dat quarks nooit los van elkaar kunnen worden getrokken.
‘De voor de hand liggende analogie is die van de rubberband’, legt Gross uit. ‘Breng de uiteinden van een rubberband bij elkaar, en er is totale ontspanning. Trek de einden uit elkaar en de spanning zal geleidelijk sterker worden. Je kunt quarks wel uit het vacuüm trekken waarin ze zich bevinden, maar ze zullen dan meteen een ander deeltje vormen. Als je een rubberband breekt, zit je ineens met twee rubberbanden. Daarom worden er massa’s deeltjes gevormd als je protonen in versnellers tegen elkaar schiet, maar nooit afzonderlijke quarks. Ze laten elkaar niet los, behalve als ze heel dicht bij elkaar zijn.’
Deze ontdekking vormde de basis voor wat vandaag de quantumchromodynamica (QCD) heet: elke quark kan een van drie kleuren (ladingen) hebben. Quarks hebben niet alleen een kleur, ze hadden eerder ook al een smaak ( flavour). Die heeft te maken met eigenschappen zoals massa. De zwaarste quark weegt bijna honderdduizend keer meer dan de lichtste, en benadert de massa van een uraniumkern. Héél zwaar voor een elementair deeltje dus. Elke quark komt daarenboven in drie kleurversies, met allemaal een andere lading. De totale lading in een deeltje moet ‘wit’ zijn, of neutraal.
Alsof dat nog niet ingewikkeld genoeg is, hebben ook de deeltjes die de sterke kernkracht overdragen, de gluonen, een lading. ‘De fotonen die licht overdragen hebben bijvoorbeeld geen elektrische lading, anders zouden we telkens als we iets zagen een shock krijgen’, zegt Gross. ‘Maar de gluonen van de sterke kernkracht zijn wel geladen. Wat betekent dat de kracht zelf de aard van de deeltjes kan veranderen, bijvoorbeeld een rode quark in een groene kan omzetten. Er zijn in totaal acht soorten gluonen in het spel.’
Het ziet er dus vrij ingewikkeld uit aan de basis van de materie. Wat niet belet dat natuurkundigen naarstig op zoek zijn naar één grote theorie die alle basisprincipes netjes samenbrengt: de Grote Eengemaakte Theorie ( Grand Unified Theory), de natte droom van elke zich respecterende fysicus.
‘We beseften in 1973 dat we met ons werk een nieuwe stap in de richting van de grote theorie zetten’, stelt Gross. ‘We leverden een laatste component voor het standaardmodel van de natuurkunde dat alle krachten en deeltjes bundelt. We wisten toen dat alle krachten gebaseerd waren op eenzelfde soort theorie, maar de verschillende theorieen waren niet uniform. Het concept van asymptotische vrijheid maakte het ineens mogelijk om de sterke kernkracht te verzoenen met de elektrozwakke kracht – de combinatie van elektromagnetische en zwakke kernkracht. Want als deeltjes heel dicht bij elkaar komen, wordt de sterke kernkracht zwakker en de elektrozwakke kracht sterker, zodat ze uiteindelijk in elkaars buurt belanden. Dat betekende dat bij extrapolatie de drie krachtlijnen uiteindelijk in één punt convergeerden, bij een heel hoge energie van tien tot de veertiende macht miljard elektronvolt. En nu, nu kunnen we nog een stap verder gaan. Door het invoegen van een nieuw soort fysica, een expansie van onze notie over de symmetrie van de ruimtetijd, namelijk supersymmetrie, kunnen we de drie lijnen samenbrengen in een punt met een energie van tien tot de zestiende macht miljard elektronvolt. Het fascinerende is dat we zo in de buurt komen van de enige kracht die we tot dusver in het verhaal missen: de zwaartekracht – een heel zwakke kracht bij de lage energieën waar we gewoonlijk mee werken. Zwaartekracht linkt daarenboven massa en energie volgens Einsteins bekende formule: E=mc2. Waarmee we alles dus in één plaatje zouden kunnen samenbrengen.’
Een reeks mirakels
Het is een hele mondvol, en er zal meer dan één mirakel nodig zijn om het te realiseren – voor één mirakel draait volgens Gross trouwens geen enkele zelfbewuste theoretisch natuurkundige zijn hand om. Supersymmetrie is de nieuwe heilige graal van de grote natuurkundigen. Voorlopig is er geen enkel hard bewijs voor het bestaan van supersymmetrie, die onder meer een verdubbeling veronderstelt van het aantal elementaire deeltjes. Maar over drie jaar zal in het Zwitserse Genève de Large Hadron Collider (LHC) operationeel worden, de grootste deeltjesversneller die de mens ooit heeft gebouwd.
‘Supersymmetrie is de volgende stap naar een eengemaakte theorie’, voorspelt Gross. ‘Ik heb vele weddenschappen lopen dat binnen tien jaar het eerste solide bewijs voor de juistheid van de theorie geleverd zal zijn. Maar de LHC zal niet volstaan om deze nieuwe superwereld te exploreren. Er zullen krachtiger versnellers nodig zijn, anders dreigt de elementairedeeltjesfysica binnen afzienbare tijd op de grenzen van de kennis te botsen.’
Helemaal lyrisch wordt Gross als hij het over zijn laatste stokpaardje heeft: de snarentheorie ( string theory), 36 jaar geleden gelanceerd als een theorie ter verklaring van de sterke kernkracht, maar ondertussen een heel eigen leven leidend. Een theorie waarin elementaire deeltjes voorgesteld worden als trillende snaren in een wereld met tien – of zelfs meer – dimensies. Een theorie die echt álles moet verklaren.
‘Maar het is moeilijk te zeggen hoe lang het zal duren voor we zover zijn’, besluit Gross. ‘Want er zullen een paar revoluties nodig zijn om tot de grote doorbraak te komen. Wát die revoluties zullen zijn, kan ik niet voorspellen, en evenmin wanneer ze zich zullen voordoen – onvoorspelbaarheid in de tijd is een kenmerkende eigenschap van revoluties. Misschien missen we iets fundamenteels, misschien moeten we enkele basisconcepten bijsturen. Persoonlijk meen ik dat we iets moeten doen aan de ruimtetijd om er te komen. Maar één ding is zeker: het is haast onmogelijk geworden om de snarentheorie als deel van de natuur te loochenen. Ze is op een merkwaardige manier verbonden met de theorieën die in het standaardmodel hun nut bewezen hebben. Helaas heeft ze ons nog altijd niet op verifieerbare wijze uitgelegd waarom de wereld eruitziet zoals hij eruitziet. Maar dat komt nog wel.’
Door Dirk Draulans
Voor één mirakel draait geen enkele zelfbewuste theoretisch fysicus zijn hand om.
