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.

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

Einstein in de politiek

Onmiddellijk volgend op het baanbrekende artikel waarin hij de relativiteitstheorie ontwikkelt publiceerde Einstein in 1905 het beroemdste resultaat van deze theorie. E=Mc², de bekendste formule aller tijden. Einstein formuleerde het zo: als een lichaam een energie L afgeeft in de vorm van straling, wordt de massa ervan L/c² kleiner. Dat is natuurlijk niet zo gemakkelijk te meten, want c, de lichtsnelheid, is erg groot. Maar aan het eind van het artikel staat: ‘Het is niet onmogelijk dat bij lichamen waarvan de energie-inhoud in hoge mate variabel is (bijv. van radiumzouten) de theorie succesvol getoetst kan worden’. Einstein refereert hier aan het toen net ontdekte (maar nog onbegrepen!) verschijnsel radioactiviteit. En hij had gelijk. Als een atoomkern ‘radioactief’ vervalt in twee lichtere atoomkernen dan wordt er ‘massa in energie omgezet’: de vervalproducten zijn samen lichter dan de oorspronkelijke kern en de ontbrekende massa is in energie omgezet.

Hierop is energieopwekking in kerncentrales gebaseerd. Het interessante hieraan is de energieschaal. Bij verbranding van fossiele brandstoffen spelen elektromagnetische overgangen van elektronen in banen rond atoomkernen een rol. De energie die hierbij vrijkomt is van de orde van grootte van elektronvolts (eV).

Typische energieën van overgangen in een atoomkern worden niet in eV maar MeV, een miljoen eV, gemeten. (Atoomkernen worden niet door de elektromagnetische maar door de ‘sterke’ wisselwerking bij elkaar gehouden). Dus de benodigde hoeveelheid ‘brandstof’ is navenant minder. En geen CO₂ uitstoot.

Duitsland heeft besloten zijn kerncentrales te sluiten. Dat is een opmerkelijke beslissing die de regering ‘uebernacht’ genomen lijkt te hebben. Het afbouwen van de kerncentrales zal leiden tot een verdwijnende behoefte aan technische en wetenschappelijke kennis op het gebied van kernenergie. Er zal geen technische en wetenschappelijk vernieuwing meer plaatsvinden op dit gebied. In Duitsland. Maar Duitsland is een belangrijk land in Europa en in de wereld. Wat zijn de gevolgen voor Europa?

Het energieverbruik zal wereldwijd aanzienlijk toenemen. (In Nederland gebruiken we ongeveer 6 promille van het totale wereldverbruik, terwijl we 2 promille van de wereldbevolking uitmaken. Wat we nu nog ‘opkomende landen’ noemen, zullen ‘hun’ deel willen). En de fossiele brandstoffen worden schaarser en zijn uiteindelijk uitgeput. Deze twee bewegingen, een groeiende behoefte en een dalende voorraad ‘klassieke’ energie moeten stemmen tot nadenken en tot zorgvuldigheid.

Kunnen we de toenemende energiebehoefte bijbenen met nieuwe technologie, wind, zon, water? Dat is lang niet zeker. Daarom is het van groot belang de kernenergieoptie open te houden. En open houden betekent ontwikkelen. En ontwikkelen betekent nieuwe centrales bouwen.

Voor Europese landen hoort de discussie over energiepolitiek en over de rol van kernenergie in Europees verband gevoerd te worden: georganiseerd door de Europese Unie. Het strategische belang is veel en veel te groot om het aan individuele lidstaten over te laten. Europa zonder kernenergie en kernenergiekennis en ‘de rest van de wereld’ daarin gespecialiseerd, dat is om meer dan een reden een zorgwekkend perspectief.

Welke politicus durft de discussie op Europees niveau op gang te trekken?

Jos Engelen

Paradise by the dashboard light

Onze grootste maatschappelijke verworvenheid is de parlementaire democratie. In die democratie spelen kiezers en gekozenen een essentiële rol. Politicus is een belangrijk vak.

Ik herinner me een interview, op televisie, met Jan Terlouw. Als ik me goed herinner werd het interview afgenomen door Mies Bouwman. Als mijn geheugen me niet bedriegt vond de uitzending plaats in (de vroege) jaren ’70 van de vorige eeuw. Jan Terlouw was een politicus in opkomst met landelijke bekendheid. Hij was gepromoveerd natuurkundige toen hij de politiek in ging. Tijdens het interview werd hem de vraag gesteld wat het grootste verschil tussen zijn werk als politicus en zijn werk als natuurkundige was. Als je als natuurkundige een voordracht gaf, zei Terlouw, dan was je weken met de voorbereiding bezig. Alles wat je zei moest goed gefundeerd zijn en het oordeel van een kritisch publiek van collega-wetenschappers kunnen doorstaan. Als je als politicus een voordracht gaf dan begon je daar eens over na te denken in de auto op weg er naartoe.

Ik zag deze tv-uitzending als jong natuurkundige, op weg om onderzoeker te worden. Ik was verbijsterd en vroeg me af of ik de politiek nog wel serieus kon nemen.

We zijn bijna 40 jaar verder. Politicus is een belangrijk vak. Zonder goede politici geen goed functionerende samenleving. Maar zonder wetenschappers ook niet! Klimaat, energie, voedsel, gezondheid: allemaal maatschappelijke, dus politieke, én wetenschappelijke thema’s. En hiermee samenhangend: economische (dus ook politieke) thema’s waar bovendien het bedrijfsleven belang bij heeft.

Alles wat er nodig is om van deze thema’s kansen te maken voor de Nederlandse samenleving en de Nederlandse economie is een constructieve dialoog tussen politiek, bedrijfsleven en wetenschap. Een dialoog waarin de partijen elkaar als partners zien. Een dialoog gebaseerd op respect en vertrouwen.

Discussies over de wetenschapsagenda worden momenteel in Nederland sterk bepaald door het topsectorenbeleid van het kabinet, ingegeven door VNO/NCW. Water, Energie, Levenswetenschappen, Chemie, High Tech systemen en materialen, Creatieve Industrie, Logistiek, Voedsel, Tuinbouw. Stuk voor stuk gebieden die drijven op kennis uit wetenschappelijk onderzoek en die voor toekomstige doorbraken en innovatie van meer onderzoek afhankelijk zullen zijn. Welk onderzoek? Bij de beantwoording van die vraag begint de spraakverwarring. Bij de beantwoording van die vraag moet het geluid van onze actieve wetenschappers sterk doorklinken en gehoord worden.

Krijgt een plantenwetenschapper het vertrouwen als hij/zij zegt onderzoek te willen doen aan de nog niet begrepen werking van bepaalde genen van bepaalde planten? Of moet deze wetenschapper de opdracht krijgen op zoek te gaan naar een dikkere, rodere, gezondere tomaat?

Het principiële antwoord, ja op de eerste en nee op de tweede vraag bijvoorbeeld, daar gaat het om. De ‘topteams’ die de bovengenoemde ‘topsectoren’ van een agenda moeten voorzien staan dus voor een eenvoudige taak. Eenvoudig? De ‘topteams’ worden aangevoerd door ‘captains’ die hun gewicht ontlenen aan succes in het bedrijfsleven en mede bevolkt door wetenschappers die hun gezag ontlenen aan succes in de wetenschap. Als de ‘captains’ echte klasse hebben laten ze zich er door de wetenschappers van overtuigen dat het antwoord op de eerste vraag ja moet zijn: ja voor vrij onderzoek dat per definitie de grenzen van wat we weten en kunnen opzoekt, en daarmee is impliciet het antwoord op de tweede vraag (nut) ook ja. Heren ‘captains’: dat is een win-win situatie!

Wat het advies van de ‘topteams’ ook zal zijn: onze politici nemen de beslissing. Als ik voor mijn geestesoog Jan Terlouw in de auto zie stappen om een voordracht te gaan geven over het topsectorenbeleid dan ben ik er gerust op: hij herinnert zich hoe afgewogen en doordacht het advies van de wetenschappers is en besluit in de auto hun advies zwaar te laten wegen. Maar vandaag is het belangrijker dat Maxime Verhagen en Halbe Zijlstra in hun auto tot het goede inzicht komen. Hoe meer ik er over nadenk, hoe zekerder ik ervan ben: ook zij zien het licht.

Jos Engelen

Zoals het klokje thuis tikt...

Bewegende klokken lopen langzamer dan klokken in rust. In het dagelijkse leven is dit echter geen excuus om te laat te komen op een afspraak. De mate waarin een bewegende klok (het horloge van degene die zich naar een afspraak spoedt) achter blijft is bij benadering een fractie 0.5 v²/c²: een half maal de snelheid van de bewegende klok in het kwadraat (kwadrateren is met zichzelf vermenigvuldigen) gedeeld door de lichtsnelheid in het kwadraat. Die kunnen we meten en is 300.000 km/sec, zo’n miljard kilometer per uur dus. Twee uur in de trein met honderd kilometer per uur en Uw horloge blijft minder dan het honderdduizendste deel van het miljardste deel (10^-14) van een uur achter. Inderdaad geen excuus om te laat te komen! Bovenstaande is een academische oefening dus. Of niet? Nee!

De relativiteitstheorie, want daar hebben we het hier over, is als ‘academische oefening’ één van de meest fantastische, uitdagende, knappe constructen van het menselijke intellect. Heel elegant, bedrieglijk eenvoudig. Einstein. Deze theorie verenigt de begrippen ‘versnelling’ en ‘zwaartekracht’. Zo wordt duidelijk dat de snelheid waarmee klokken lopen beïnvloed wordt door het zwaartekrachtsveld. Hoe sterker het veld, des te langzamer loopt de klok. Een klok op het dressoir loopt langzamer dan een wandklok aan de muur. Ook hier zijn de effecten klein, de klok op het dressoir blijft een fractie 2 10^-16 achter in vergelijking met een klok twee meter hoger (twee procent van de fractie in het voorbeeld van de treinreiziger hierboven). Onmeetbaar? Nee! Al in 1960 werd experimenteel aangetoond dat de frequentie van kortgolvig licht (Röntgenstraling) dat vanuit een bron 20 meter omhoog geschoten wordt bij detectie (op 20 meter hoogte dus) iets lager is dan bij de bron. Bij de detector (hoger, dus in een iets minder sterk zwaartekrachtsveld) duurt een seconde dus korter dan bij de bron. Het gaat om een fractie 2 10^-15, heel klein maar meetbaar (al in 1960) dank zij de ingeniositeit van de natuurkundigen die het experiment deden (Pound en Rebka).

De theorie, het experiment, allebei grensverleggend, meer is er niet nodig voor excellente wetenschap. Die rechtvaardigt zichzelf. Zelfs als er geen ‘nuttige’ toepassing van te verzinnen zou zijn... Maar ook in dit geval is die er wel! Het Global Positioning System (Uw TomTom) kan alleen maar werken door bovengenoemde effecten van de zwaartekracht op de tijd in rekening te brengen. De signalen die ons GPS systeem ontvangt van de navigatiesatellieten op 20.000 km hoogte zijn alleen bruikbaar voor precieze positiebepaling als we de tijd waarop deze signalen werden uitgezonden precies kunnen vergelijken met de tijd waarop we ze ontvangen: alleen zo krijgen we precieze informatie over de afstand waarop we ons t.o.v. de diverse satellieten bevinden en alleen zo kan ons GPS systeem uitrekenen waar we zijn. Alle klokken moeten dus synchroon lopen. Maar als we de kokken op aarde synchroniseren, zullen de klokken die gelanceerd worden straks, op grote hoogte, sneller lopen. En wel met een fractie iets groter dan één miljardste. Dat zijn duizenden miljardste seconden (nanoseconden) per dag. De radiosignalen van het GPS reizen met de snelheid van het licht. Eén nanoseconde komt overeen met 30 centimeter. Duizenden nanoseconden ‘mis’ betekent dus honderden meters en al gauw kilometers. Weg GPS. Met de relativiteitstheorie bij de hand worden de satellietklokken daarom op aarde precies zó gedesynchroniseerd dat ze, eenmaal in de ruimte, precies synchroon lopen met de klokken hier beneden. En dat werkt! En het is allemaal begonnen met puur academische bespiegelingen. Voor mij meer dan genoeg, voor wie(ntjes) meer wil: dat is er ook!

Jos Engelen

Neutrino's over de snelweg

Neutrino’s over de snelweg

Neutrino’s zijn intrigerende deeltjes. Ze zijn bijna niet te vangen. Tientallen miljarden passeren ons elke seconde door iedere vierkante centimeter op aarde. Ze vliegen dwars door ons heen. De zon zendt ze uit. Het heelal moet gevuld zijn met neutrino’s die binnen een paar seconden na de oerknal vrijkwamen. Ze inspireerden John Updike tot het schitterende gedicht ‘Cosmic Gall’.

Neutrino’s zijn ingepast in het Standaard Model van elementaire deeltjes en hun wisselwerkingen. Maar ze zijn vervolgens aan het keurslijf van het Standaard Model ontsnapt. Ook in dit opzicht zijn ze, vooralsnog, niet te vangen. Net als de andere ‘bouwstenen’ van het Standaard Model, zoals bijvoorbeeld het elektron of de quarks waaruit het proton bestaat, komen neutrino’s voor in drie ‘families’. Die families zijn strikt gescheiden. Het blijkt echter, dat een neutrino dat tot een bepaalde familie behoort spontaan kan overstappen naar een andere familie. En vice versa. Dit verschijnsel staat bekend onder de naam neutrino-oscillaties en is experimenteel waargenomen. Onafhankelijk van het hieraan ten grondslag liggende mechanisme, dat onbekend is, kunnen we dit verschijnsel beschrijven. We nemen aan dat echte (‘fysische’) neutrino’s mengsels zijn van de ideale (tot een familie behorende) neutrino’s. Deze beschrijving is alleen mogelijk door gebruik te maken van de kwantummechanica. Daarin worden deeltjes beschreven als voortrollende golven. Het deeltje bevindt zich waar de amplitude het grootst is. Een fysisch neutrino is nu een mengsel (een ‘superpositie’) van drie golven. Als de massa’s van de drie soorten neutrino’s nu niet helemaal gelijk zijn, planten deze golven zich niet gelijkelijk voort en gaan uit fase lopen. En na een tijdje manifesteert een neutrino dat als lid van de ene familie geboren is zich als lid van de andere. En na nog een tijdje neemt het neutrino de oorspronkelijke familienaam weer aan. Enzovoort.

Neutrino-oscillaties zijn experimenteel waargenomen. Gigantisch lastige experimenten, maar de resultaten zijn heel overtuigend. Een omvangrijk experimenteel programma is nodig om het net rond de neutrino’s volledig te sluiten. Tientallen jaren werk liggen voor ons.

Neutrino-oscillaties zijn waargenomen, neutrino’s hebben dus massa en massaverschil. Niet alleen de massaverschillen, ook de massa’s zelf zijn klein. Klein in vergelijking met de kleinste massa die we tot dusver kennen, die van het elektron. Dit op zichzelf is erg intrigerend en leidt tot spannende speculaties over verschijnselen bij zeer hoge energieën en dus over energieën die alleen gedurende de allereerste minuscule fractie van een seconde na de oerknal beschikbaar waren.

Het Standaard Model kent naast neutrino’s ook anti-neutrino’s. Kan niet zonder. Maar het is mogelijk dat het onderscheid tussen neutrino’s en anti-neutrino’s vervalt als neutrino’s massa hebben. Heeft de Natuur voor deze eenvoudige oplossing gekozen? De experimentele zoektocht is gaande, het pad steil en glibberig...

Dit alles en meer begon me door het hoofd te gaan toen ik heel kort geleden met een adviseur van Barroso sprak. Ik sprak hem om uit te leggen dat een belangrijk aantal Europese onderzoeks(financierings)organisaties  zich aan het organiseren is om beter met één stem, en met meer gewicht, over Europees onderzoeksbeleid te spreken. Ook en vooral in de richting van de Europese Commissie. De adviseur, een hoge Europese ambtenaar, trof mij niet als erg bevlogen. Niet als iemand die ‘Europa’ als een missie ziet. Maar hij adviseert Barroso. En zijn probleem met onderzoeksfinanciering was duidelijk. Hoe leg je uit dat een Euro geïnvesteerd in onderzoek meer rendement oplevert dan een Euro geïnvesteerd in een nieuwe snelweg tussen Madrid en Parijs? En in dat soort discussies, zo bleek mij, is voor neutrino’s geen plaats.

Jos Engelen