Piekje

Vanaf de bijrijdersstoel volgde ik op mijn mobiele telefoon de twee voordrachten waarin de resultaten van de Large Hadron Collider, stand december 2015, werden gepresenteerd. Ik had liever achter mijn computerscherm gezeten en nog liever was ik er in Genève bij geweest, maar het kon even niet.

Een dag of twee tevoren had een oude vriend, nauw bij het Geneefse onderzoek betrokken, me aangeraden de voordrachten te volgen. Dezelfde vriend die me ruim twee en een half jaar geleden laat op de avond belde en me vertelde: ‘looks like we have got the object’. Hij verwees naar de ontdekking van het Higgs-boson, resultaat van een experimentele inspanning die meer dan anderhalf decennium eerder begonnen was en waar we beiden, vanuit heel verschillende rollen, voluit bij betrokken waren geweest. Een paar dagen na dat telefoontje zat ik in Genève bij de voordrachten die de ontdekking uit de doeken deden.

Het onwaarschijnlijke was, dat de ontdekking voor het grootste en overtuigendste deel berustte op de detectie van het Higgs-boson via het verval ervan in twee fotonen. Het Higgs-boson leeft maar heel kort (10^-22 seconde) en kan alleen waargenomen worden door de ‘gewone’ deeltjes waarin het vervalt op te vissen uit een enorme achtergrond van andere gewone deeltjes. Het is een kenmerkende eigenschap van het Higgs-boson dat het met de grootste waarschijnlijkheid vervalt in zware deeltjes. Het foton is echter het lichtste deeltje dat we kennen, de massa ervan is nul. Als de fotonen echter heel precies gemeten worden, met hoge resolutie, verraden de correlaties tussen twee fotonen die afkomstig zijn van een Higgs-boson hun herkomst. Meten van deze correlaties maakt de kleine kans dat het Higgs-boson in twee fotonen vervalt meer dan goed. Zoals gezegd: mits er voldoende precies gemeten kan worden. De technologie daarvoor ontbrak toen de detectieapparatuur bij de LHC ontworpen werd, maar visie, durf en intensieve R&D hebben hun vruchten afgeworpen. Maar dat is niet het verhaal dat ik hier wil vertellen.

Bij de voordrachten van 15 december jongstleden, 15 december 2015, werden nieuwe metingen gepresenteerd. De metingen waren gedaan bij een energie van de botsende bundels van protonen, die aanzienlijk hoger was dan bij de ontdekking van het Higgs-boson. De hoop is dat bij deze energie nieuwe, nog zwaardere deeltjes ontdekt worden die veel nog openstaande problemen ‘voorbij het standaard model’ – dat met het Higgs-boson compleet is – zouden kunnen oplossen. De zoektocht is echter veel lastiger dan die naar het Higgs-boson, omdat het theoretische kader veel minder houvast geeft. En er zijn, na de winterstop van de LHC, meer botsingen nodig om zoveel mogelijk meetgegevens te verzamelen.

Het einde-van-het-jaar-overzicht van de LHC liet nog geen nieuwe ontdekkingen zien. Maar, aan het eind van beide presentaties, werden de twee-foton-plots van de nieuwe data getoond. Bijna terloops. Net als een paar jaar geleden was er een piekje te zien, ik doel niet op het Higgs-boson dat we inmiddels kennen, maar op een piekje op een heel andere plek. Ik begreep waarom mijn oude vriend mij getipt had. Als dit nieuwe piekje ‘echt’ is duidt het op een gloednieuw deeltje met een massa zes keer zo groot als die van het Higgs-boson. Fabelachtig. Het standaard-model voorbij. Nieuwe horizonten vragen om verkenning.

Uiteraard en terecht trekt deze ‘hint’ niet alleen de aandacht van direct betrokkenen.  Deze keer hoop ik dat die direct betrokkenen iets meer de kans krijgen om zelf uit te leggen dat dit grensverleggend onderzoek een Europees succes is. Elders gebeurt het niet. Meer metingen zullen het piekje laten oplossen in de omgeving, of zullen het prominenter daar bovenuit laten steken. Zo werkt statistiek. Tot de statistiek haar werk kan doen zal ik dromen!

Scenario

Scenario

In 1965 publiceerden Penzias en Wilson een toevallige waarneming, die een overrompelende ontdekking bleek. Ze namen radiogolven waar uit het diepe heelal en komend van alle kanten. Radiogolven overeenkomend met het spectrum uitgezonden door een zwart lichaam met een temperatuur van 2.7K. De ‘big bang’ theorie van het ontstaan van het heelal, waarover toevallig rond dezelfde tijd gespeculeerd werd (en waar Penzias en Wilson niet mee bezig waren) was in één keer de leidende kosmologische theorie. De moderne kosmologie combineert de ‘big bang’ met inzichten uit de elementaire-deeltjesfysica en is zeer succesvol, alhoewel er ook nog veel vragen onbeantwoord blijven: zo zit de wetenschap in elkaar.

Eén van de onontkoombare voorspellingen is dat er naast de CMB (Cosmic Microwave Background) ontdekt door Penzias en Wilson, ook een achtergrond van neutrinostraling moet bestaan. Ook daar kan een temperatuur aan toegekend worden, volgens voorspelling 1.9K. Net als de fotonen van de CMB hebben de neutrino’s van deze CNB (Cosmic Neutrino Background) een heel erg lage energie. En anders dan fotonen zijn neutrino’s als zodanig al buitengewoon moeilijk te detecteren, en de moeilijkheidsgraad neemt toe naarmate de energie lager is. Onmogelijk dus, om een experiment te verzinnen dat deze neutrino’s waarneemt. Onmogelijke experimenten hebben een grote aantrekkingskracht op experimenteel natuurkundigen. En misschien is het toch niet onmogelijk de Cosmic Neutrino Background te meten. Maar er is wel verbeeldingskracht en lef voor nodig.

Bij NIKHEF woonde ik een voordracht van Chris Tully (Princeton University) bij over het onderwerp. Neem tritium, een isotoop van het eenvoudigste element dat er is, waterstof. De kern van tritium bestaat uit een proton en twee neutronen. Tritium is niet stabiel maar radio-actief. De kern vervalt onder uitzending van een elektron en een anti-neutrino naar een isotoop van helium. Maar er kan ook iets anders gebeuren: het tritium baadt, zoals alles en iedereen, in de zee van CNB neutrino’s die resteert van de big bang en zo’n neutrino kan door de tritiumkern geabsorbeerd worden. Vervolgens vervalt die dan naar helium onder uitzending van een elektron. Zonder een antineutrino uit te zenden. Dit elektron heeft een andere energie dan een elektron afkomstig van radioactief verval (dat de bij het verval vrijkomende energie moet delen met het eveneens vrijkomende anti-neutrino). Meting van het energiespectrum van de elektronen vrijkomende bij tritiumverval kan dus in principe een aanwijzing geven voor de aanwezigheid van elektronen uitgezonden na absorptie van een neutrino en dus van de aanwezigheid van een kosmisch neutrinobad, van de CNB. Magnifiek! Is het onmogelijk geachte dan toch mogelijk?

Mogelijk, maar moeilijk. Allereerst hebben we tritium nodig. Zoveel mogelijk. Minstens honderd gram, een ons, om kans te maken het gezochte signaal te zien. (De wereldvoorraad tritium is zo’n twintig kilo. Bovendien is tritium een strategisch materiaal, en de brandstof voor toekomstige fusiereactoren.) De energie van het elektron moet met grote precisie worden gemeten, om het gezochte signaal afkomstig van CNB absorptie, te meten. Het elektron mag daarom niet verstoord worden door de tritiumbron zelf: het tritium wordt gehecht aan grafeen (dit wordt afgekeken van het onderzoek naar de opslag van waterstof in grafeen voor energietoepassingen). Vervolgens wordt het uitgezonden elektron geanalyseerd in een systeem van magneetvelden en elektrische potentialen om uiteindelijk in een calorimeter geabsorbeerd te worden. Dit is gemakkelijk opgeschreven, maar de eisen aan deze meting zijn zo hoog dat jaren R&D en misschien wel onverwachte wendingen nodig zijn om zo’n opstelling te realiseren.  High tech aan en voorbij de grenzen van wat mogelijk is.

In het standaardmodel van elementaire deeltjes zijn neutrino’s massaloos. Inmiddels is experimenteel aangetoond dat neutrino’s niet (geheel) massaloos zijn. Dit roept vragen op over hun natuur: zijn het gewone deeltjes zoals het elektron of zijn ze wezenlijk anders? De CNB neutrino’s hebben een heel lage energie van één of een paar tiende milli-elektronvolts. Als ze een massa hebben die van dezelfde orde van grootte is zullen de neutrino’s heel langzaam bewegen en daarmee relatief vaak geabsorbeerd worden in het tritium-experiment. Zo geeft dit experiment ook mogelijk een antwoord op één van de prangende vragen die de deeltjesfysica op dit moment heeft: wat is de neutrinomassa? 

Wat bovenstaande illustreert is dat een toevallige waarneming van radiostraling uit de ruimte (door medewerkers van Bell labs, een laboratorium voor industriële R&D) leidde tot een interpretatie daarvan in het kader van een inmiddels breed geaccepteerd kosmologisch model: de ‘big bang’. Kosmologie en deeltjesfysica samen voorspellen het bestaan van een achtergrond van ‘koude’ kosmische neutrino’s (honderden in elke kubieke centimeter van het heelal). Tritium, een isotoop van waterstof met militaire en vreedzame toepassingen (fusiereactoren), is een mogelijk ‘detectiemateriaal’ voor deze kosmische neutrino’s. Het moet daartoe gehecht worden aan lagen grafeen (een vrij recent ontdekt materiaal, één koolstoflaag dik), dit ‘hechtingsproces’ wordt ontwikkeld om waterstof op te slaan (waterstof die bijvoorbeeld geproduceerd wordt tijdens uren met overcapacitiet van zonne-energie). Geavanceerde technieken (magneetvelden, elektrische velden, RF) worden gebruikt in ‘beyond state of the art’ opstellingen om de door het tritium uitgezonden elektronen met adequate precisie te meten: een ‘profilerende’ uitdaging voor high tech bedrijven en bedrijfjes; als bijvangst wordt misschien een bijdrage geleverd aan de meting van de neutrinomassa.

Wat ik eigenlijk wil zeggen: bovenstaand scenario had niemand kunnen verzinnen, niet in 1965, niet in 1985, niet in 2005. Alles wat nodig was en is voor deze ontwikkeling: voldoende ruimte voor getalenteerde onderzoekers en een uitstekend contact met de high tech industrie (en de daar werkzame getalenteerde onderzoekers) en een uitstekend contact tussen onderzoekers onderling: of ze nu aan waterstofopslag werken of een geschikte tritiumbron willen maken. Het is met een zekere voldoening, overigens, dat ik vaststel dat het hele spectrum aan talenten en technieken in de Nederlandse kennisinstellingen en bedrijven voorhanden is. Aan het bovenstaande project werken ze, bij mijn weten, toevallig niet, maar dat doet er niet toe. Ze werken op vergelijkbare wijze aan vergelijkbare projecten. Ze doen mee en ze lopen voorop. En zo moet het blijven.