Amerika feliciteert Nederland

Het heeft een bijna magische naam: het Higgs-boson. Het is de naam van een elementair deeltje. Een elementair deeltje dat ons voor problemen stelt.

En wat is het probleem? Niemand heeft dit deeltje ooit waargenomen. Het bestaan ervan is niet aangetoond. En daarin komt misschien heel binnenkort verandering! 47 jaar nadat Peter Higgs er voor het eerst over publiceerde. Tegelijkertijd met en onafhankelijk van Robert Brout en Francois Englert overigens.

Waarom duurt de zoektocht naar het Higgs-boson zo lang? En waarom is die zoektocht zo belangrijk? Hij duurt zo lang omdat de experimenten om dit deeltje aan te tonen ‘state of the art’ technologie vereisen die pas nu, een decennium na het begin van de 21^e eeuw beschikbaar is. En het is zo belangrijk omdat de verbazingwekkende theorie van elementaire deeltjes en velden, het Standaard Model, niet zonder dit ‘allerlaatste’ der elementaire deeltjes kan. Het Standaard Model, sommigen prefereren Standaard Theorie, heeft de stoet van onderzoekers die het ontwikkeld hebben de Nobelprijs opgeleverd. Het model staat als een huis. Alle natuurkunde die we kennen komt erin samen. Ook het Higgs-boson, dat we strikt genomen nog niet kennen. Er staat veel op het spel...

De natuurkundigen die met hartstocht en hardnekkigheid op zoek zijn naar het Higgs-boson zijn opgewonden. En in opperste staat van paraatheid. De deeltjesversneller die ‘de Higgs’ moet produceren en de experimentele opstellingen die ‘hem’ moeten detecteren zijn sinds een aantal maanden volop in bedrijf. De spanning stijgt. Het verzamelen van voldoende data (‘van voldoende statistiek’) kost tijd evenals de verwerking ervan. Maar een signaal van het Higgs-deeltje kan nu elk moment de kop opsteken.

De deeltjesversneller die dit mogelijk maakt heet Large Hadron Collider, ‘de LHC’ en is de parel aan de kroon van het Europese laboratorium voor deeltjesfysica CERN, gelegen op de Zwitsers-Franse grens bij Genève. De experimentele opstellingen dragen de namen ATLAS en CMS. Wie er niet eerder van gehoord heeft zal er binnenkort zeker van horen. Op 27 juli jongstleden sloot Nobelprijswinnaar David Gross – inderdaad, één van de onderzoekers uit de stoet – een natuurkundeconferentie in Grenoble af, waarin de eerste resultaten van de LHC gepresenteerd waren. Een Higgs-achtig signaaltje had de revue gepasseerd, zowel ATLAS en CMS hadden het. Statistisch gezien nog niet overtuigend genoeg voor een ontdekking. Maar opwinding alom. Ook bij David Gross, die, als Amerikaan ons Europeanen alvast feliciteerde met de doorbraak die de LHC, ATLAS en CMS aan het maken waren. Buitengewoon opmerkelijk was zijn felicitatie aan ‘the governments of Europe who persevered and prevailed’. De regeringen van Europa die hebben volgehouden en gezegevierd. Waar hij op duidt zijn de lidstaten van CERN, waaronder Nederland, die CERN financieren. Ze hebben volgehouden: in 1994 hebben ze het LHC project goedgekeurd en ze hebben zich aan hun woord gehouden, ze hebben dit grensverleggende project mogelijk gemaakt, niet omdat het gemakkelijk was, maar omdat het moeilijk was! En ze hebben gezegevierd: Europa is nu wereldleider op dit vakgebied. Amerika mag aanschuiven, graag zelfs, maar ‘wij’ maken de dienst uit! China mag natuurlijk ook aanschuiven en India en Brazilië. En dat willen en doen ze ook, allemaal.

De felicitaties van David Gross gaan dus ook naar de Nederlandse regering en ik sluit me daar graag bij aan. De fysica van het Higgs-boson is óók een Nederlandse aangelegenheid. Via het werk van onze Nobelprijswinnaars Gerard ’t Hooft en Martinus Veltman steeg het Higgs-boson naar grote hoogte, via het werk van onze Nobelprijswinnaar Simon van der Meer verwierf CERN de prominentie die nodig was voor het LHC project. En de ‘high tech’ omgeving van CERN blijft uitgelezen kansen bieden voor ons bedrijfsleven.

Dat is wetenschapsbeleid par excellence: gebaseerd op volhouden en gericht op zegevieren. En gedreven door de dynamiek van de wetenschap zelf.

Nature's laws lay hid in night...

Onze aarde is lekker warm vanbinnen. De totale warmte die ze afgeeft aan de ruimte bedraagt 44 Terawatt. Alsof 440 miljard ouderwetse gloeilampen van 100 Watt voortdurend branden. Ongeveer 70 van die gloeilampen per persoon op aarde. Continu. Waar komt die warmte vandaan?

Uranium, Thorium, Kalium: elementen die in onze aarde voorkomen, sinds het ontstaan ervan, zijn radioactief. Ze vervallen spontaan in lichtere elementen en daarbij komt warmte vrij. Hoe weten we dat dit gebeurt? Door het te meten. De metingen zijn niet eenvoudig en technisch zijn de onderzoekers die hiermee bezig zijn pas een paar jaar zo ver dat deze metingen ook daadwerkelijk mogelijk zijn. Karakteristiek voor radioactief verval zijn de neutrino's die daarbij vrijkomen.

In Japan staat de KamLAND detector die neutrino’s detecteert. Duizend ton doorzichtige vloeistof, ‘bekeken’ door fotobuizen. De meeste voorbij schietende neutrino’s trekken zich niets van de detector aan, maar een enkel botst met de vloeistof. Daarbij komen karakteristieke lichtsignaaltjes vrij die door de fotobuizen geregistreerd worden. KamLAND is ontworpen voor het bestuderen van ‘neutrino oscillaties’ een verschijnsel dat een heel intrigerende kijk biedt voorbij de grenzen van het Standaard Model van elementaire deeltjes en hun wisselwerkingen. Maar KamLAND is ook bij uitstek geschikt om de ‘geoneutrino’s’ afkomstig van radioactief verval in aardkorst en mantel te meten. Zeer onlangs zijn de resultaten gepubliceerd van metingen die in de periode maart 2002 tot november 2009 gedaan werden. Wie neutrino’s bestudeert moet dus niet uit zijn op ‘quick wins’. Complexe en loeizware detectoren, complexe data-analyse, maar dan: unieke resultaten. Als we de gemeten neutrino-flux terugrekenen naar radioactiviteit in de aarde vinden we dat de helft van de aardwarmte, 22 Terawatt dus, is toe te schrijven aan radioactief verval. Dat is een fenomenaal inzicht: de helft van de aardwarmte verklaard! Aardwarmte die leidt tot aardbevingen en tsunami’s. Maar ook: de helft van de aardwarmte nog niet verklaard. Zou het de ‘restwarmte’ zijn van het ontstaan van de aarde? Om stil van te worden...

Dit nodigt uit tot verder lezen, tot meer willen weten. Het artikel dat hier bedoeld wordt werd gepubliceerd in Nature Geoscience. Online gezet op 17 juli 2011. Online, maar niet zomaar beschikbaar. Twee-en-dertig, 32, dollar moet het kosten. Natuurlijk, publiceren en beschikbaar maken van informatie kost geld. Dus ook als de onderzoeksresultaten met publieke financiering verkregen zijn, moet de toegevoegde waarde van het publiceren betaald worden.

Een veel beter verdienmodel dan dat van Nature zou zijn ‘auteur betaalt’ voor ‘open toegankelijkheid’  (Author pays, Open Access). Een beter model voor de toegankelijkheid van de resultaten, maar niet voor de winstgevendheid van Nature natuurlijk.

Nature staat voor kwaliteit. We willen er allemaal graag in publiceren. In Nature zelf, in Nature Physics, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Photonics, Nature Chemistry, Nature Climate Change, Nature Geoscience, Nature Biotechnology, Nature Chemical Biology, Nature Genetics, Nature Immunology, Nature Medicine, Nature Neuroscience, etcetera, etcetera.

Nature publiceert artikelen van hoge kwaliteit, ‘peer review’, de kritische beoordeling door experts staat daar garant voor. Maar Nature verdient ook aan advertenties. Nature publiceert ook ‘editorials’. Nieuws. Gezichtspunten. Nature is tevens een krant en een opinieblad. Het is heel onbevredigend dat het publiceren van wetenschappelijke artikelen gemengd wordt met allerlei andere informatie die, op de een of andere manier geheel ‘onverdiend’ ook status ontleent aan de kwaliteit van de onderzoeksartikelen. Deze wirwar deugt niet, maar als betalende abonnee maken we ons medeschuldig aan het in standhouden ervan.

Er zijn grote verschillen, maar er zijn ook onrustig makende overeenkomsten: de macht van Murdoch en de onaantastbare positie van Nature. Kwaliteitsbewaking en kwaliteitscontrole, daar gaat het om. Transparantie. Objectiviteit. Waken voor belangenverstrengeling. Zodra we als abonnees daar niet meer kritisch op letten bepalen anderen wat goed voor ons is. Als Nature zich blijft richten op het vergroten van zijn imperium vanuit zijn vesting van beslotenheid zal het, vroeger of later, News of the World achterna gaan. News of the World verscheen voor het eerst in 1843, Nature in 1869.

Groeien met quarks

Het is spannend in Genève. Een uniek apparaat van Europese makelij, ‘de krachtigste deeltjesversneller ter wereld’, omringd door experimentele opstellingen waarvoor deeltjesdetectoren ontwikkeld zijn die de nieuwe ‘state of the art’ voor dergelijke detectoren definiëren, maakt het mogelijk de grenzen te verleggen van wat we weten en kunnen. Wat is massa? Ontstaat die door het Higgs deeltje? Kunnen we dat deeltje ontdekken? Dat zijn een paar van de vragen waar we de komende jaren (maanden?) antwoord op hopen te krijgen.

Maar waar is dit goed voor? Wat hebben we eraan? Waarom zouden we investeren in dit soort projecten? Kan het niet een beetje minder? Kunnen we niet even wachten tot de economie weer wat is aangesterkt?

Laat ik U meenemen op een reisje door de tijd. Een kort reisje, een half mensenleven lang.

Waterstof is het meest voorkomende element in het heelal. Ook het eenvoudigste: het bestaat uit een proton waar een elektron zijn baantjes om draait. Ooit werd gedacht dat het proton, net als het elektron een ‘elementair deeltje’ is. Zonder interne structuur, een ‘puntdeeltje’. Volgens de huidige stand van de experimenten is het elektron, meer dan 100 jaar geleden ontdekt, inderdaad een puntdeeltje, een echt elementair deeltje. Het proton is wat complexer. In 1964 postuleerden Gell-Mann en Zweig dat het proton bestaat uit drie bouwstenen die ‘quarks’ gedoopt werden. Die quarks kwamen voor in drie soorten. Zo kunnen dus op 3x3x3 = 27 manieren - drie quarks, drie soorten - deeltjes als het proton worden samengesteld. Niemand nam de quarks echt serieus als werkelijk bestaande deeltjes. Er was nog nooit een quark waargenomen. Bovendien hadden quarks rare eigenschappen: de elektrische lading, bijvoorbeeld, was een fractie 1/3 of 2/3 van de ‘elementairlading’, de lading van het elektron. Maar de 27 deeltjes die dit quarkmodel voorspelt komen wel degelijk voor in de natuur. Ze kunnen met behulp van deeltjesversnellers gemaakt en bestudeerd worden. De quarks werden beschouwd als een trucje om het spectrum van protonachtige deeltjes (ook wel baryonen, ‘zware deeltjes’ genoemd) te kunnen ordenen.

Experimenten die rond 1970 mogelijk werden lieten, eigenlijk tot ieders verrassing, zien dat quarks echt bestaan. Elektronen werden met heel hoge energie op protonen geschoten. Daarbij werden ze soms zo sterk afgebogen (‘verstrooid’) dat dit alleen maar te verklaren was door aan te nemen dat de lading van het proton niet uniform over het proton verdeeld was, maar geconcentreerd was op kleine pitten (‘punten’) in het proton. De quarks waren herontdekt, nu niet als handigheidjes maar als echte, tastbare objecten! Sindsdien is veel onderzoek aan de structuur van het proton en de eigenschappen van quarks gedaan, ook door mijzelf. We hebben fantastisch veel geleerd. Naast de drie quarks van Gell-Mann en Zweig bestaat het proton uit een ‘zee’ van paren van quarks en antiquarks. De quarks worden in het proton bijeen gehouden door een veld dat bestaat uit deeltjes die we gluonen noemen. Een proton bestaat voor ongeveer de helft uit quarks (en antiquarks) en voor de andere helft uit gluonen. Er is een theorie ontwikkeld van de wisselwerkingen tussen quarks en gluonen. Verrassende eigenschappen voorspelt deze theorie: naarmate quarks dichter bij elkaar komen wordt de kracht die ze op elkaar uitoefenen via het gluonveld kleiner, als je ze van elkaar verwijdert gaan ze juist steeds harder aan elkaar trekken! Echt bevrijden uit het proton kun je ze niet, daar zou een oneindige energie voor nodig zijn.

We kennen de structuur van het proton, 40 jaar na de experimentele ontdekking dat er ‘pitjes’ (quarks) in zitten, behoorlijk precies. Laat ik iets beter uitleggen wat ik hiermee bedoel. Stel je een proton voor dat heel snel van links naar rechts over dit scherm beweegt. Een kluitje quarks, antiquarks en gluonen dus. Samen dragen deze ‘partonen’ zoals we ze met een verzamelnaam noemen de impuls (‘de hoeveelheid van beweging’) van het proton. Welke fractie hiervan ze elk afzonderlijk dragen wordt beschreven door ‘parton-dichtheidsfuncties’ (PDF’s). Deze fractie duiden we aan met x, x loopt dus van 0 tot 1. Deze functies zijn gemeten en vrij nauwkeurig bekend. De meest recente, grensverleggende metingen zijn het afgelopen decennium uitgevoerd door experimenten bij de elektron-proton botsende-bundelversneller van het DESY laboratorium in Hamburg. De enige manier om deze PDF’s te kennen is door ze te meten, ze zijn niet te voorspellen of ‘uit te rekenen’. Dat is tenminste nog niemand gelukt, hoewel de onderliggende ‘theorie van quarks en gluonen’ wel bekend is. (Net zo min is begrepen waarom en hoe quarks en gluonen samen een proton vormen: degene die dat uit ‘first principles’ verklaart mag meteen naar Stockholm!) De metingen zijn intrigerend. Bijvoorbeeld: de dichtheid van gluonen in het proton stijgt heel sterk naarmate de fractie x kleiner wordt. Naarmate x kleiner wordt, worden de metingen lastiger: we zijn erin geslaagd tot een waarde 0.00001 (10^-5) te komen. Tot die waarde stijgt de gluondichtheid nog steeds door: je zou verwachten dat de gluonen elkaar bij een te grote dichtheid in de weg gaan zitten, maar daar is in de huidige metingen nog geen sprake van.

Dit verhaal begint, min of meer willekeurig, in 1964. Meer dan 4 decennia waren er gemoeid met onderzoek en vervolgonderzoek om van het quarkmodel tot diepe en gedetailleerde kennis over het proton te komen. Alom tegenwoordig, niet groter dan 10^-15 meter. En nog steeds is niet alles ‘gemeten en geweten’ over deze eenvoudigste der atoomkernen. Maar mijn betoog gaat niet alleen over het proton: het staat model voor alle wetenschappelijk onderzoek – goed onderzoek leidt tot kennis en tot nieuwe vragen en weer tot vervolgonderzoek etc. Dat is een stroom die niet onderbroken kan worden. Je kunt ook niet even aan de kant blijven staan. Onderbreken betekent contact verliezen, aan de kant staan betekent achterblijven.

Vandaag is de kennis van de structuur van het proton onmisbaar voor het begrijpen van de botsingen tussen protonen bij de Large Hadron Collider, de krachtigste versneller van dit moment en operationeel bij het Europese centrum voor hoge-energiefysica, CERN, in Genève. De protonbotsingen bij de LHC leiden tot enorm complexe eindtoestanden met veel deeltjes, dank zij de hoge energie. Deze energie is nodig in de jacht op nieuwe kennis: het Higgs deeltje en meer. Deze complexe eindtoestanden zijn alleen te analyseren met kennis over de interne structuur, de PDF’s, van het proton. Kennis die is opgebouwd voordat de LHC in bedrijf ging. Sterker nog: de opbouw ervan is begonnen lang voordat ook maar iemand had kunnen vermoeden dat er ooit een LHC zou zijn. Deze kennis zelf zal weer verder worden vermeerderd bij de LHC.

Maar waar is dit allemaal goed voor, wat hebben we aan kennis over de structuur van het proton? Wat hebben we eraan om te weten dat er een Higgs boson is? Het antwoord: waar grenzen van onze kennis bereikt worden willen we die grenzen verleggen – we willen wéten – is niet voor iedereen voldoende. Er is een uitgebreider antwoord mogelijk. Bij het onderzoek zijn studenten en jonge afgestudeerden betrokken. Die leren geweldig veel dat ook buiten het onderzoek, waar ze lang niet allemaal in blijven werken, van belang is. Ze leren met computers werken, programma’s schrijven in geavanceerde talen, statistische methodes gebruiken, microelektronica ontwerpen, projectmatig werken, etc. etc. Bedrijven worden betrokken bij het ontwikkelen van geavanceerde apparatuur, supergeleidende magneten, lichtdetecterende kristallen, supergevoelige sensoren, nieuwe database technieken, nieuwe computerarchitecturen etc. etc. Daarmee verdienen die bedrijven een beetje en leren ze een boel: ze verhogen hun profiel, innoveren, vinden nieuwe markten. Het verleggen van wat we ‘kennen’ vereist dat we verleggen wat we ‘kunnen’. Daarbij staat het ontwikkelen van ‘high tech systemen en materialen’ centraal.

Dus: ook – en niet in de laatste plaats -  nieuwsgierigheidsgedreven ‘vrij’ onderzoek is essentieel voor het in stand houden van een excellente kennisinfrastructuur zonder welke geen enkel land kan groeien.

Schuwe politici en het milieu

Zeer onlangs ging in Utrecht, op de Uithof, de derde milieu-Olympiade van start. Een olympiade is per definitie internationaal en dat was hier ook het geval: teams van scholieren uit 34 landen deden mee. Wat mij tijdens de openingsplechtigheid buitengewoon inspireerde en ontroerde was het beeld van de jonge mensen die als vertegenwoordigers van hun teams samen op het podium stonden. Stralend, prachtig uitgedost, divers, optimistisch, vol levenslust. Alle kleuren, alle gezindten, saamhorig. Precies de goede setting om de milieuproblematiek te lijf te gaan: om er over te praten (bewustwording) en om er iets aan te doen. En daar is onderzoek voor nodig. Daarom was het mij als voorzitter van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek een genoegen een kleine toespraak te houden. Filmpjes die vertoond werden toonden bekenden van mij, o.a. Robbert Dijkgraaf en Ronald Plasterk, tijdens de opening van eerdere afleveringen van dit evenement. Ik had er goed aan gedaan de uitnodiging aan te nemen.

Bij het aanvaarden van de uitnodiging had ik natuurlijk even geïnformeerd naar de andere sprekers. O.a. drie kamerleden. Interessant om te horen wat zij te zeggen zouden hebben. Interessant om de gelegenheid te hebben even voor ‘het onderzoek’ te pleiten. Geen van drieën kwam opdagen.

Na afloop van de plechtigheid liep ik langs de ‘stands’ waar de talloze inzendingen (meer dan honderd) werden toegelicht door de inzenders zelf. Weer dat enthousiasme dat hoop geeft voor de toekomst.

Later op de dag besloot ik de kamerleden per e-mail te laten weten dat ze iets gemist hadden. Geen verwijtende e-mail maar een enthousiaste.

Kamerlid één (ik noem haar Juice): automatisch antwoord dat ze te veel e-mail kreeg om te antwoorden. Kamerlid twee (ik noem haar Terrier): begrafenis. Kamerlid drie (ik noem hem Vide) gaf een antwoord waarvan ik schrok. De organisatie was in handen van Turken met vermoede banden met dubieuze Turkse organisaties. Rabbijn Soetendorp was ook één van de openingssprekers realiseerde ik mij onmiddellijk. Als ik al ergens was ingetrapt, hij toch niet? Hoewel: op onnavolgbare wijze wist hij het debat over rituele slacht in zijn speech bij deze milieu-olympiade te verwerken...

Maar: is deze inhoudelijk beslist bonafide olympiade nu zo’n groot risico voor politici dat ze ervoor terugdeinzen hun verhaal te komen doen? En zich op de hoogte te komen stellen? En hun bijdrage te leveren aan het bonafide maken ervan, zou er al een luchtje aan zitten?

Ik ga het hen vragen.