Het Standaardmodel en Higgs

Een Theorie van Alles zou mooi zijn. Geen geklier met uitzonderingen. Een set van regels waaruit de rest netjes volgt.

Ik wil graag uitleggen waarom het vinden van het Higgs boson zo belangrijk is en waarom CERN er zo enorm veel tijd en geld aan besteedt. Maar eerst moet ik wat anders uitleggen. Wat is een theorie van alles, waaruit bestaat een atoom en wat weten we (nog niet)?

Om de eerste vraag te beantwoorden kan ik het beste twee voorbeelden geven. De theorie van alles van de biologie is de evolutietheorie. Biologen noemen een ‘cel’ de kleinste eenheid van leven en de ontwikkelingen van cellen kunnen aan de hand van een set regels en wetten verklaren en voorspellen. Dat is heel mooi, want de wetenschap is  op zoek naar verklaringen van fenomenen, zodat later voorspellingen gedaan kunnen worden over wat er gebeurt als je kleine veranderingen maakt. Als de evolutietheorie onjuist zou blijken (zo erg dat hij niet aan te passen valt), zal de biologische wetenschap een enorme klap te verduren krijgen. Alsof je de onderste kaarten van een kaartenhuis weg slaat.

Een tweede voorbeeld van een alles omvattende theorie dat jullie natuurlijk allemaal kennen, is het periodiek systeem der elementen. Dmitri Mendelejev gaf in 1869 een lezing waarin hij een opzet gaf voor zijn systeem waarmee hij voorspellingen deed over niet-ontdekte elementen (wat betreft kleur, massa en reactiviteit). Fantastisch genoeg werden al snel deze elementen gevonden. Het mooie aan ons systeem is dat het uitlegt waarom elementen zich gedragen zoals ze zich gedragen. Natuurlijk zal ik uren over de filosofische waarde van het periodiek systeem kunnen schrijven, maar we gaan verder.

Het vinden van het Higgs boson zou het Standaard Model compleet (completer eigenlijk) maken. Het wat? Het Standaard Model is een set van theorieën van de theoretische natuurkundigen die de subatomaire wereld verklaard. We dachten altijd dat een atoom (een kern van protonen en neutronen, omgeven door een wolk van elektronen) de kleinste eenheid van materie was. Nu weten we dat protonen, neutronen en elektronen uit kleinere (subatomaire) deeltjes bestaan.

Het Standaard Model zegt dat er vier elementaire krachten bestaan: elektromagnetisme, zwaartekracht, zwakke kernkrachten en sterke kernkrachten. Alle andere soorten krachten en energieën volgen hieruit. De deeltjes waarover het Standaard Model handelt, veroorzaken deze krachten. Photonen zijn de ‘dragers’ van de elektromagnetische krachten, gluonen de sterke kernkrachten en Gauge bosonen de zwakke kernkrachten. Dit kunnen we allemaal aan met behulp van kwantumveld theorie. We weten dat er 19 natuurconstantes zijn en 16 soorten subatomaire deeltjes, die allemaal al eens gemeten en ‘gezien’ zijn, behalve het Higgs boson.

Nu heeft Newton ons verteld hoe zwaartekracht zich gedraagt, maar waar het vandaan komt, is een hele lange tijd een mysterie gebleven. Newton vertelde wel dat de massa van een deeltje belangrijk is. Einstein heeft ons vorige eeuw gelukkig verteld hoe zwaartekracht zich in het algemene geval gedraagt (en niet alleen voor grote objecten bij niet-grote snelheden). Einsteins theorie heet de (Algemene) Relativiteitstheorie.

En hier gaat het mis. De relativiteitstheorie en de kwantumveld theorie gaan niet samen. Ze spreken elkaar tegen. Eén van twee is niet compleet of deels fout. En we weten ook al dat Einstein gelijk had. Voel je waar dit pijn doet? De theoretisch natuurkundigen hebben een mooie Theorie van Alles (Het Standaard Model) dat een paar andere theorieën omvat (waaronder kwantumveld theorie). Nu is dit model bijna rond (met het vinden van het Higgs boson), maar we weten al langer dat er een andere theorie is die meer juist is. Wat nu?

We hebben dus een hoop rotzooi, zitten een beetje vast en hebben geen idee waar we heen moeten. En zijn nog genoeg andere fundamentele dingen uit te zoeken, maar dit loopt wel dood. Snaar Theorie schijnt een deelnemer te zijn voor een alternatieve Theorie van Alles, maar die is experimenteel niet na te gaan. Wat heb je daar nou aan? Eerst niet veel in ieder geval.