Astrodeeltjesfysica koppelt het grote aan het kleine

In het zwaartepunt Astrodeeltjesfysica werken theoretisch natuurkundigen, astronomen en deeltjesfysici samen om antwoorden te zoeken op openstaande grote vragen van de fysica, zoals: hoe is het heelal ooit ontstaan, waar komt de kosmische straling vandaan, wat is de zogeheten donkere materie, wat is de samenhang van de allerkleinste deeltjes?

Onder fysici bestaat de overtuiging dat deze vragen met elkaar samenhangen. Om meer te weten over het prille begin van het heelal, is het bijvoorbeeld nodig de fundamentele eigenschappen te kennen van de deeltjes waaruit materie is opgebouwd. Onderzoekers binnen het zwaartepunt zijn op de volledige breedte van het veld actief. Een accent ligt echter op fundamentele theorie, zoals de snaartheorie, en op de studie van extreme objecten, zoals zwarte gaten, en moeilijk waarneembare deeltjes, zoals neutrino’s en het Higgs-boson.

Binnen het zwaartepunt komen dus drie verschillende benaderingen van de fundamentele vragen samen. Immers, theoretici redeneren vooral vanuit wiskundige modellen, terwijl astronomen waarnemingen doen aan objecten die zij niet kunnen beïnvloeden. De deeltjesfysici zijn juist weer aangewezen op het inventief manipuleren van materie om deeltjes waar te nemen.

Neutrino’s

Astrodeeltjesfysica is bij uitstek een internationaal vakgebied, waarin resultaten eigen alleen te boeken zijn door grootschalige samenwerking. Het zwaartepunt is dan ook verankerd in een groot aantal samenwerkingsverbanden, zoals de Europese programma’s Astronet voor sterrenkunde en Aspera, dat zich specifiek op astrodeeltjesfysica richt. Bij Cern, het centrum voor deeltjesonderzoek in Genève, is op dit moment UvA-hoogleraar Jos Engelen de wetenschappelijk directeur.

Dankzij de participatie in internationale onderzoeksprogramma’s, staan de onderzoekers faciliteiten ter beschikking die tot de beste ter wereld behoren. De Antares telescoop meet de aantallen neutrino’s die uit de ruimte de aarde bereiken, terwijl de Large Hadron Collider, het grootste wetenschappelijke instrument ter wereld, op zoek gaat naar het Higgs-boson, dat zich tot nu toe bij geen enkele experiment heeft laten meten. De Lofar-radiotelescoop gaat op zoek naar extreme objecten en kosmische straling.

Voor de ondersteuning van deze experimenten zijn grote computerinfrastructuren in het leven geroepen. Alleen al de opslag van data vraagt om ongekende hoeveelheden terabytes (miljoenen megabytes) aan harde schijven en andere media, om nog te zwijgen over de rekenkracht die nodig is voor analyse. Uiteraard profiteren ook theoretici van de rekencapaciteit. De combinatie van uitmuntende faciliteiten en menselijk inzicht moet uiteindelijk leiden tot een theorie waarin alles, van groot tot klein, op zijn plaats valt.

Het heelal als microscoop

De snaartheorie – of eigenlijk snaartheorieën, want er zijn verschillende varianten – probeert alle natuurkundige krachten in één theorie te vangen, van de krachten die het heelal drijven tot degene die het gedrag van de allerkleinste deeltjes beschrijven. Het is daarmee een schoolvoorbeeld van het hele kleine koppelen aan het hele grote.

In de snaartheorie wordt de materie voorgesteld als een verzameling trillende snaren: hoe harder de snaar trilt, hoe meer massa het deeltje heeft. Op deze manier is het mogelijk de quantumkrachten die zich op het niveau van deeltjes afspelen te koppelen aan de zwaartekracht. Theoretisch is dit een fraaie aanpak, maar de vraag is hoe hier ooit een bewijs voor te vinden. Waarnemen van de snaren zelf zit er namelijk niet in. Daarvoor zijn ze te klein.

De oplossing is te vinden in het heelal. Wie ver weg in het heelal kijkt, ziet daar de achtergrondstraling van de oerknal. In feite is het heelal een soort microscoop waarmee je terug kunt kijken naar het moment waarop alles begon, toen de deeltjes dicht op elkaar geperst zaten en zowel quantumkrachten als zwaartekracht een grote invloed uitoefenden op wat er gebeurde. Een snaartheorie die omschrijft wat er toen gebeurde, valt te toetsen door te kijken of hij goed voorspelt hoe de achtergrondstraling nu gemeten wordt.

Ook zou zo’n theorie voorspellingen moeten doen over het gedrag van deeltjes in de Large Hadron Collider, die eveneens als een soort microscoop eigenschappen van de allerkleinste deeltjes blootlegt. Voor de puzzel compleet is, zijn echter nog veel waarnemingen en berekeningen nodig.

×