Brown Sugar

On the 4th of July 2012 the world knew: the Higgs-particle had been discovered by two experiments, ATLAS and CMS, at the Large Hadron Collider of the European Laboratory for Particle Physics near Geneva. Two wonderful seminars at CERN summarized many years of innovative experimentation and data analysis, culminating in the highlight for now: the observation of the Higgs boson through its decay into two photons. A peak is observed in the two photon spectrum, the evidence being corroborated by other for the time being somewhat less populated channels.

There was relief and excitement, euphoria even, among those who had been involved in this long and risky project. Understandably so: the stakes had been very high, many had invested more than a decade and some more than two, of their scientific careers in this endeavour: the search for ‘the Higgs’. But the excitement was by no means limited to the ‘small’ circle of insiders: through the interest of the media in this news an audience of many, many millions was reached. Heart-warming for all the physicists and engineers who had been one way or another involved in this adventure, but also an opportunity for explaining and sharing the excitement with ‘the public’. ‘The Higgs’ is public property, the research has been entirely publicly funded by the Member States of CERN, by the associate members, by other bilateral agreements and by the various national research organisations (in the Netherlands this is NWO).

What ìs the Higgs particle? Why is this discovery so important? What is the use of it? I would love to address these questions and I would do so along the lines I have done many times before. I will not do that here. I would also love to answer questions like: how was the discovery made? Why was it so hard, why did it take so long? I will not do that here either. I use this space to challenge the ‘experts (without credentials)’ to properly think about answers to these questions before making statements and appearances in the mass media. If you are not passionate about the subject, either explain that or stay away from it. If you are not knowledgeable: stay away from it.

In a Dutch TV show the Higgs field was modelled as brown sugar. ‘Ah brown sugar how come you taste so good’.

Jos Engelen

July 9, 2012

Big Science

The Technical University Delft (TUD) had the good foresight to award a honorary degree to Andre Geim in 2009, one year prior to the Nobel Committee’s decision to honor him with the Nobel Prize in Physics for his experiments on graphene. I attended the ceremony in Delft and I also was a guest at the dinner in Geim’s honor the same evening. It was one of those dinners with the seating arrangement changing half way through. Should you be stuck in boring company, you get a second chance. My wife and I in fact were in very pleasant and interesting company. One of the other honorary doctors, Wybren Jouwsma, told us about his adventures in ‘high tech’ industry (he had founded a very successful company; the ‘very successful’ is my addition, he is too modest to make such statements). In particular he told us about his interactions with CERN, the European laboratory for particle physics near Geneva. He was very enthusiastic about the orders he had won for delivering ‘flow meters’ with specifications so challenging that they were just beyond what he could make. But, working with the engineers at CERN, he had managed to reach the required specifications. And subsequently he had the business. And his, then still young company, an expertise that it did not have before.

After the second course or so we moved to another table and had the honor to be seated at the table of Andre Geim. In an attempt to make conversation – with hindsight that is absolutely superfluous in Geim’s presence – I referred to a colleague, a common acquaintance I presumed, at the University of Manchester, Geim’s university. This colleague is a high energy physicist, like myself. This led Geim to a long tirade about high energy physics. Expensive, big equipment, massive; involving large groups of scientists, for that reason probably not very good ones, Geim asserted. If you could not find ‘the Higgs’ on a table top you were either stupid, or it was not worthwhile to look for it. My attempt to make conversation had failed. If you consider conversation an interactive process involving at least two people, that is.

The status reports on the search for the Higgs boson, presented at CERN recently, December 2011, have drawn a very great deal of attention. Somewhat surprising perhaps and certainly prematurely. But the achievement to be celebrated already now, is not small. Technology and science have made a giant leap forward to bring us where we are today. We will, with certainty know how much the Higgs boson weighs and begin to explore what its properties are within a year from now. That is Progress with a big P. These results are going to be part of mankind’s heritage. (And if the Higgs boson is not found, it means that it does not exist. This is not a trivial statement! It means that we have to go back to the very foundations of physics.)

The status of the ‘Higgs search’ has also received much attention, certainly for a scientific topic, in the news media. This attention is stimulating and heartwarming for scientists in general and for those who are actually involved in the Higgs programme in particular. Our Dutch national institute for particle physics (NIKHEF) has been deeply involved in this programme from the days it was defined. It can, rightly, claim to be part of the success. Its scientists play leading roles in the multinational endeavor that is required to make this ‘big science’ project possible. And they are very active in deciphering the messages Nature has hidden in the data that are now being analyzed.

I hope they find the recognition they deserve, after years of hard and very innovative work. In large international collaborations, yes, but not anonymously, no. At the pursuit of great science. And perfectly capable of explaining to the world what they find and how they did it. Such that also critical observers like Andre Geim will be able to share in their enthusiasm!

Jos Engelen

23-12-2011

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.

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.

Dobbelen met God?

Kun je in een paar volzinnen op begrijpelijke wijze uitleggen wat het Higgsdeeltje is, vroeg een wetenschapsjournalist me. Het is veelgevraagd, maar ‘begrijpelijk’ is natuurlijk niet erg scherp gedefinieerd. Dus ja, dat kan ik.

Zonder Higgsdeeltje lukt het niet om zinnige voorspellingen te doen over het gedrag van elementaire deeltjes. En mét het Higgsdeeltje wel. Er zijn niet zoveel elementaire deeltjes. De elementaire deeltjes die we kennen, dat wil zeggen: experimenteel hebben waargenomen, passen heel mooi in één sluitend kader, mits we aannemen dat het Higgsdeeltje, dat nog niet is waargenomen, ook bestaat. Het Higgsdeeltje is het enige ontbrekende elementaire deeltje. Daarom zijn we er zo hard naar op zoek.

Wat is een ‘elementair deeltje’? Een deeltje zó klein dat het geen afmeting heeft, geen inwendige structuur, een ‘punt’. Een atoom is geen elementair deeltje. Een elektron, dat deel uitmaakt van een atoom, is wel een elementair deeltje. Een atoomkern, waar de elektronen omheen bewegen, bestaat uit protonen en neutronen. Maar dat zijn ook geen elementaire deeltjes. Ze bestaan uit quarks, en dat zijn wel elementaire deeltjes. Zes quarks, zes leptonen (waarvan het elektron er één is): ecce mundus! Dat is het. De krachtvelden die deze deeltjes verspreiden, en die zorgen voor de samenhang, de ‘structuur der materie’, komen hier nog bij. Deze krachtvelden zijn ook opgebouwd uit ‘kleinste hoeveelheden’, uit deeltjes, ook elementair. De elektrische en de magnetische kracht worden overgebracht door het foton. Dit is de kracht die elektronen bij atoomkernen houdt en die atomen tot moleculen maakt. En tot gassen, vloeistoffen of vaste stof. Radioactief verval wordt veroorzaakt door een kracht die onder de naam ‘zwakke kracht’ bekend is geworden en deze kracht wordt overgebracht door een deeltje dat in drie verschillende ladingstoestanden kan voorkomen: het W⁺ en het W^- deeltje en de neutrale variant die bekend is geworden onder de naam Z⁰ deeltje. En tenslotte: de kracht die atoomkernen bij elkaar houdt en die quarks tot protonen en neutronen bindt heet de sterke kracht en wordt overgebracht door het gluon.

De kracht tussen twee geladen deeltjes is omgekeerd evenredig met de afstand in het kwadraat. Een positief en een negatief deeltje, bijvoorbeeld, mogen dus niet willekeurig dicht bij elkaar komen. Dat zou ‘een oneindigheid’ introduceren en dat maakt een zinvolle beschrijving onmogelijk. Laten we dit illustreren met een concreet voorbeeld. Stel we laten een elektron (negatief) botsen met een anti-elektron (ook bekend onder de naam positron; positief). Als we snelheid en richting van elektron en positron vóór de botsing kennen dan kunnen we voorspellen wat snelheid en richting ná de botsing zijn. Maar dat kan alleen maar als we de ‘oneindigheden’ die samenhangen met de theoretische mogelijkheid dat de deeltjes elkaar willekeurig dicht kunnen naderen onder controle hebben. En dat kan! In het voorbeeld ‘springt’ het krachtdeeltje (een foton) van het elektron naar het positron: zó vindt de botsing, de wisselwerking plaats. En doordat er zo’n sprongetje plaatsvindt, plaats moet vinden om een wisselwerking mogelijk te maken, blijven de oneindigheden ons bespaard. Zo kunnen we zinnige, eenduidige berekeningen doen die met experimentele resultaten vergeleken kunnen worden. Berekeningen zijn gedaan, experimenten zijn uitgevoerd: fantastisch goede overeenstemming is gevonden! En toch is er een probleem. De W/Z deeltjes onderscheiden zich van het foton (en ook van het gluon) doordat ze massa hebben. Het foton heeft alleen energie en kan niet stilstaan (zie de relativiteitstheorie). W/Z deeltjes kunnen dat wel en als zij hun kracht overbrengen (bijvoorbeeld tussen elektron en positron in een botsing als hierboven geschetst) kunnen ze dat stilstaand doen. En dat is het begin van allerlei moeilijkheden die alsnog tot onhanteerbare oneindigheden leiden. En nu komt het Higgs-veld in beeld. Een heel bijzonder veld dat er voor zorgt dat we een theorie kunnen maken waarin de krachtdeeltjes aanvankelijk massaloos zijn (en ‘oneindigheden’ vermeden worden). Als we het veld toevoegen blijkt dit energie aan de W/Z deeltjes te geven die zich manifesteert als massa. Heel opmerkelijk: het Higgs-veld introduceert de wisselwerking die tot W/Z massa leidt op precies zo’n wijze dat de oneindigheden als gevolg van deze massa precies gecompenseerd worden door wisselwerkingen tussen W/Z deeltjes via het Higgs-veld. Ook het Higgs-veld komt in kleinste hoeveelheden: het Higgs-deeltje.

Een overzichtelijk wereldbeeld: zes quarks, zes leptonen (en hun anti-deeltjes) en drie velden bestaande uit foton, W/Z en gluonen. Overzichtelijk, maar beschreven door een knap ingewikkelde theorie (‘het Standaard Model’). Een theorie die klopt ‘tot ver achter de komma’ daar waar deze getoetst is, maar een theorie die niet zonder Higgs-deeltje kan. En dit deeltje hebben we nog niet kunnen aantonen, nog niet kunnen ‘maken’. En dat moet nu (binnen een jaar…) gaan gebeuren bij de Large Hadron Collider van CERN. En anders..? Het Standaard Model is gebouwd op een basis die gevormd wordt door de relativiteitstheorie en de kwantummechanica. Einstein had het niet zo op de kwantummechanica. De kwantummechanica voorspelt waarschijnlijkheden. Een botsing tussen twee deeltjes, bijvoorbeeld, leidt tot vele mogelijke eindtoestanden, elk met een eigen waarschijnlijkheid, optellend tot honderd procent natuurlijk. Dat is de enige zekerheid. Einstein hield hier niet van. God dobbelt niet. Toch heeft het er alle schijn van dat God wel dobbelt. De dobbelsteen heeft wel meer dan zes vlakken, maar we weten toch heel aardig hoe hij er uitziet. Als God ons een dobbelsteen heeft laten ontdekken waarvan één vlakje voor altijd een vraagteken zal bevatten, dan zijn we flink bij de neus genomen. En dat geloof ik niet!

Jos Engelen, 19-6-2011