De bouwstenen van de schepping

Een zoektocht naar het allerkleinste

[p. 181]

20 Een onzichtbare wereld

In twee richtingen proberen we nu te zoeken naar mogelijkheden om het standaardmodel uit te breiden. Ik duid ze gemakshalve aan als 1: zeldzame nieuwe deeltjes en zwakke nieuwe krachten, en 2: zware nieuwe deeltjes en nieuwe structuren bij zeer hoge energie. Om met het eerste te beginnen, er zouden deeltjes kunnen bestaan die heel moeilijk te maken en te detecteren zijn, en daarom tot nu toe aan onze aandacht zijn ontsnapt. Alle deeltjes die sterke krachten op bekende deeltjes uitoefenen kunnen zich onmogelijk voor ons verborgen houden. Volgens de ijzeren wetten van de deeltjestheorie worden zulke deeltjes dan dikwijls gecreëerd, desnoods als combinatie deeltje-antideeltje (behalve wanneer hun massa te groot is, maar dat valt onder punt 2). De enige lichte deeltjes die zich voor ons verborgen kunnen houden, zijn deeltjes die slechts uiterst zwakke krachten uitoefenen op alle ons bekende deeltjes.

De eerste toevoeging waar men dan aan denkt, is inmiddels al gerealiseerd: de rechtsdraaiende neutrino's, beschreven in hoofdstuk 18. Deze zijn zelfs voor de zwakke kracht ongevoelig! Slechts door toedoen van het veld van het Higgsdeeltje kunnen ze in linksdraaiende neutrino's veranderen, waarna ze (zeldzame) zwakke interacties kunnen aangaan. Hoeveel meer van zulke verborgen objecten zouden er kunnen zijn? Het graviton heb ik al genoemd. Dit voelt slechts de zwaartekracht, en deze kracht is nog veel zwakker dan de zwakke kracht. Dat u niettemin de zwaartekracht duidelijk ‘aan den lijve’ ondervindt, komt doordat alle deeltjes in de hele aarde deze kracht aanwenden om alle atomen in uw lichaam naar dezelfde kant toe te trekken (naar beneden dus). Alleen maar omdat zowel de aarde als uw lichaam uit zo talloos veel atomen bestaat, merkt u het bestaan van deze kracht. In een ruimteschip zitten ook veel atomen, maar niet zoveel als in de gehele aarde en, wel, van de zwaarte-

[p. 182]

kracht merkt een ruimtevaarder al bijna niets meer. De zwaartekracht werkt over zeer grote afstanden, dit hangt samen met het feit dat de drager ervan, het graviton, een deeltje is met rustmassa gelijk aan nul. Je kunt je afvragen of er niet nog meer van dergelijke krachten zijn. Er zou bijvoorbeeld een component in de zwaartekracht kunnen zijn die alleen maar op elektronen of alleen op de baryonen inwerkt en niet, zoals de gewone zwaartekracht, op allebei, evenredig met hun massa. De Hongaarse baron Loránd Eötvös heeft in de jaren vijftig uiterst zorgvuldige experimenten gedaan om naar selectie-effecten in de zwaartekracht te zoeken. Later werden deze metingen verfijnd door Robert Dicke (die ondanks alle moderne elektronica grote moeite had Eötvös te verbeteren).

Er werd ook gezocht naar afwijkingen in de wetten van de zwaartekracht die zouden optreden als er een component is die slechts over kortere afstanden werkt (en dus veroorzaakt wordt door een deeltje dat, anders dan het graviton, een kleine maar niet geheel verwaarloosbare rustmassa heeft). Enige jaren geleden werd er geclaimd dat uit de notities die Eötvös had gemaakt af te leiden zou zijn dat er wel degelijk een selectie-effect is (verschillende stoffen zouden een heel klein beetje verschillend op de zwaartekracht reageren). Eötvös zelf heeft altijd volgehouden dat de uiterst kleine spreiding in zijn meetresultaten niet significant is, en we geloven nu weer dat hij daarin gelijk had. Maar een naam voor zo'n eventuele nieuwe kracht was gauw gevonden: ‘de vijfde kracht’. Ondanks verwoede pogingen is er nog geen vijfde kracht aangetoond. Theoretisch kunnen we het bestaan van zo'n kracht niet uitsluiten, maar ik vind dat mét zo'n kracht erbij het standaardmodel er zeker niet fraaier op zou worden.

En ten slotte zou je kunnen denken aan een heleboel andere soorten uiterst zwak reagerende deeltjes. Zijn die er? Bedenk wel dat er tot nu toe slechts drie neutrinosoorten gevonden zijn. En meer zijn er waarschijnlijk niet. Dit weten we uit zeer nauwkeurige metingen met lep. Als er meer neutrinosoorten waren

[p. 183]

dan ν_e, ν_μ en ν_τ zou het Z^o-deeltje ook in deze neutrino's kunnen vervallen, en dat zou de levensduur van Z^o korter maken dan wat men heeft gemeten.

Als de wereld van elementaire deeltjes zo veel uiterst zwak reagerende deeltjes zou bevatten, waarom zouden er dan niet ook een heleboel ‘een beetje zwak’ reagerende deeltjes zijn, in plaats van slechts drie, die bovendien alle een duidelijke rol lijken te spelen (ze hebben een welverdiende plaats in het standaardmodel)? Persoonlijk denk ik dat het antwoord is: er zijn maar heel weinig van zulke superzwak reagerende deeltjes, misschien wel helemaal geen. Maar ja, ook ik heb de wijsheid niet in pacht en er zijn allerlei uitbreidingen van het standaardmodel bedacht waarin wél plaats is voor superzwak reagerende deeltjes.

En ook hier geven de astronomen ons te denken. Zij zeggen dat in de ons omringende ruimte materie moet zitten die niet reageert met de zichtbare sterren en gaswolken, maar zijn aanwezigheid uitsluitend verraadt door zijn zwaartekrachtsinvloed op sterren en sterrenstelsels. Dit voor ons onzichtbare deel van de wereld bevat zelfs aanzienlijk meer materie dan het zichtbare deel! De astronomen verzekeren ons dat ‘conventionele’ verklaringen zoals donkere stof- of gaswolken, los zwervende ‘planeten’ of zelfs zwarte gaten niet aannemelijk zijn. Zij zijn niet in te passen in hun beschrijvingen van het ons omringende heelal, en bovendien heeft men inmiddels methoden om de aanwezigheid van deze slecht zichtbare objecten toch te kunnen vaststellen: ze zijn er niet.

Uit wat voor soort deeltjes deze zogenaamde ‘donkere materie’ dan wel bestaat, weet nog niemand. Zijn het wellicht nog onbekende, zwaardere broertjes of neefjes van de neutrino's, ofwel zizo's (Zwak Interagerende Zware Objecten¹)? Hier bestaan allerlei ideeën en theorieën over (bijna even veel als het aantal onderzoekers dat hierover een mening heeft).

1 Mijn vertaling van wimp's, Weakley Interacting Massive Particles.