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.

Relativeren

Relativeren

De trein naar E. zette zich langzaam in beweging. B. voelde een zekere opluchting: terug naar de vertrouwde omgeving van zijn overzichtelijke laboratorium. Veel glas, schaaltjes, vertrouwd gezoem.

Weg van abstract gebazel over bestuurlijke veranderingen, over wetenschapsbeleid, over discipline-overstijgende samenwerking en noem maar op.

Het was een heldere wintermiddag; een eenzame boom met grillige takken scherp afgetekend tegen de blauwe lucht. Een oude boom, die daar ongetwijfeld al tientallen jaren stond – en al tienduizenden treinen voorbij had zien komen.

Die boom stond stil en de trein reed. Natuurkundigen beweerden wel dat alles relatief was en je net zo goed kon zeggen dat de trein stil stond en de boom bewoog, maar dat klonk toch eigenlijk ook als abstract gebazel.

Regelmatig gleden bomen voorbij, na enige tijd nog net zichtbaar tegen de donker wordende hemel. B. dommelde weg, maar zijn gedachten gingen door. Met gesloten ogen voelde hij alleen aan de lichte onregelmatigheden van de treinbeweging dat hij niet stil stond. 'Als de spoorstaven perfect glad zouden zijn, perfect aansloten, de trein met perfect constante snelheid zou rijden, de wielen geen geluid op de rails zouden maken, zou ik kunnen denken dat ik stil stond', dacht B. Hij opende even zijn ogen. Een ver lichtje gleed langzaam voorbij. 'Als ik in zo'n perfect voortglijdende trein het raam helemaal zou verduisteren, zou ik dan nog weten, nog kùnnen weten, dat ik in beweging was?' Dat was de volgende gedachte. Fascinerend. Zou hij, bijvoorbeeld, een scheikundig experiment kunnen doen, in deze rijdende trein, om aan te tonen dat de trein in beweging was? Moeilijk voor te stellen. Als hij hier in de coupé een stukje ijzer zou oplossen in salpeterzuur zou dat, ongetwijfeld, precies hetzelfde verlopen en tot precies hetzelfde resultaat leiden als hetzelfde experiment uitgevoerd in zijn laboratorium, thuis. 'De natuurwetten zijn onafhankelijk van de toestand van beweging,' zong het door zijn hoofd. Ook proeven met plantjes en beestjes – ze zouden in deze rijdende trein precies dezelfde resultaten opleveren als in al die laboratoria in het land.

Hij opende weer kort zijn ogen, zag in de verte het verlichte venster van een huis voorbij glijden. En kreeg een idee. Het licht dat de lamp in dat huis uitzond schoot door de donkere avond met een, onvoorstelbare, snelheid van 300 000 kilometer per seconde, een miljard kilometer per uur. De grootste snelheid die in de natuur leek voor te komen. Als B. nu, vanuit de rijdende trein, de snelheid van dat licht, afkomstig van het vensterraam in de verte, zou meten, dan zou die snelheid niet gelijk zijn aan 300 000 km/s maar, als gevolg van de treinbeweging, een beetje daarvan verschillen. Hoe je zo'n meting moest uitvoeren deed er even niet toe, in principe was die mogelijk. En dus was het in principe mogelijk vast te stellen of je in beweging was of niet! Meet de lichtsnelheid, verschilt die van 300 000 km/s ('een natuurconstante') dan ben je in beweging!

Er knaagde iets. Er klopte iets niet. Want waarom zou het verlichte vensterraam van een willekeurig huis langs de spoorlijn naar E. de ‘ correcte ’ lichtsnelheid definiëren? Er was een radicale manier om met deze willekeur af te rekenen. 'De lichtsnelheid heeft een vaste waarde en is onafhankelijk van de bewegingstoestand van de lichtbron en van de bewegingstoestand van de waarnemer.' Een aanname, niet meer dan dat, maar wel een aantrekkelijke aanname. Die aanname ontsloeg je van de verplichting een willekeurige en daarom onbevredigende keuze te maken van wat je zou moeten beschouwen als de 'rusttoestand'. De lamp achter het vensterraam in de verte, de lamp in het plafond van de coupé, de zon en alle sterren: ze zonden allemaal licht met dezelfde snelheid uit voor welke waarnemer dan ook.

B. opende zijn ogen en was ineens klaarwakker. De aanname van de constantheid van de lichtsnelheid had vergaande consequenties voor het begrip 'tijd'. Niets was meer wat het leek. Hier moest hij langer over nadenken, eens rustig voor gaan zitten.

Opgewekt stapte hij uit de trein. Het bestuurlijke gedoe wist hij op veilige afstand, zijn laboratorium en werkkamer vlakbij.

Christiaan Huygens

Christiaan Huygens heeft opmerkelijke bijdragen geleverd aan de wetenschap. Heel bekend is de uitvinding van het slingeruurwerk. De uitvinding is gebaseerd op het inzicht dat een aan een koord of ketting slingerend gewicht een karakteristieke periode (of ' trillingstijd') heeft. Voor kleine uitwijkingen, is deze periode onafhankelijk van de uitwijking en gelijk aan  , waar l de lengte van de slinger en g de versnelling van de zwaartekracht.

In een kleine, permanente tentoonstelling in Hofwyck in Voorburg en tijdelijk in een grote aan Constantijn en Christiaan gewijde tentoonstelling in de Grote Kerk in Den Haag is te zien dat Christiaan zich afvroeg of het mogelijk was een slingeruurwerk te maken waarbij de periode helemaal onafhankelijk was van de uitwijking. Hij vermoedde dat het gewicht van de slinger op een cycloidebaan moest bewegen om dit te bereiken. (Een cycloide is de baan beschreven door een punt op een voortrollende cirkel, denk aan het ventiel van een fietswiel.)

Christiaan had gelijk. Het lukte hem (net) niet het formele bewijs te leveren. De benodigde wiskunde werd later door Newton (en Leibniz) ontwikkeld, maar het is indrukwekkend om te zien hoe hij het probleem aanpakte. (Nog indrukwekkender is zijn ontdekking van de ringen van Saturnus, maar dat is een ander verhaal).

Ik was niet op de hoogte van het ' cycloide-probleem', het behoort niet tot de standaardproblemen die behandeld worden in de natuurkundeopleiding. (Of ik heb het gemist...) Ik heb plezier beleefd aan het oplossen van het probleem. Hier kan de oplossing gevonden worden:
http://www.nikhef.nl/~h02/huygens_cycl.pdf

Jos Engelen

8/7/2013

Over the top, into the abyss, Faust revisited

 

In 1971 Gerard ’t Hooft published his article ‘Renormalizable Lagrangians for Massive Yang-Mills Fields’. The article, building on research initiated by Martinus Veltman, won them the 1999 Noble Prize in Physics. It established the Standard Model of elementary particles and fields as a quantitative theory, a realization of a renormalizable relativistic quantumfieldtheory. The success of the Standard Model is based on ingenious, innovative experiments at equally ingenious and innovative particle accelerators – the experiments provided the ingredients of the Model (i.e. discovered the particles and fields) and the precision measurements to allow quantitative tests; the Standard Model indeed turned out to be spectacularly accurate. With one ingredient missing. Escaping detection. The Higgs boson, absolutely required to make the Model work as ‘t Hooft had shown in his 1971 article.

The experimental discovery of the Higgs boson took several decades and a huge effort of many excellent scientists and engineers. In addition it required significant innovations and breakthroughs to render the experiments possible: an accelerator with new applications of superconductivity, with newly developed superconducting alloys for high current density and high fields; excellent field quality and excellent vacuum for high quality beams and high collision rates; detectors with 100 million read-out channels capable of handling one billion collisions per second; radiation hard and novel detector materials; new deep submicron technology for highly integrated and ‘radiation hard’ electronics; new computer architectures and the development of a worldwide computing ‘grid’. It required an effective collaboration of thousands of scientists and engineers of unprecedented complexity over many years.

The LHC (Large Hadron Collider) project, including the experimental setups (christened ATLAS and CMS), was successful: a highly non trivial achievement crowned by the discovery of the Higgs boson with a mass of 125 GeV. An experimental progamme of at least a decade is still ahead of us to fully exploit the physics potential of the LHC (including that of two other innovative but more specialized setups called LHCb and ALICE).

Remarkable achievements, including breakthroughs in science, are sometimes awarded with more or less renowned prizes. By far the most prestigious international scientific prize is the Nobel Prize. Its prestige is based on the impressive list of winners since the first prize was awarded in 1901, including Einstein and many others.

The discovery of the Higgs boson certainly qualifies for this highest scientific honor. But the will of Alfred Nobel states that the prize shall be shared by at most three persons. In practice that probably means that the prize will be awarded to Higgs and Englert (his co-worker Brout being deceased), the theorists who layed the foundations for the new ‘Higgs physics’ in theoretical considerations published in 1964. Singling out the three most meritorious scientists from the thousands whose talent, ingenuity and perseverance were essential for the actual discovery of the Higgs particle, is not well possible. This does not mean that I would not be ready to make a motivated proposal, but it turns out to be impossible to organize wholehearted, generous support of  ‘the community’ for a selection of only three. Nobel’s will does not offer the possibility of awarding the prize to an organization either (with an exception for the Peace Prize), otherwise the Higgs prize might be awarded to CERN, to be collected by its Director.

No Nobel Prize for the experimental discovery of the Higgs boson then? No, but come to the rescue Yuri Milner and his Foundation. He invented the Fundamental Physics Prize (FPP) and handpicked the first nine (!) winners in 2012 and awarded them 3 million dollars (!) each. The nine have in common that they are theoretical physicists who ‘made transformative advances in the field’. In contrast to the Nobel Prize these advances are not required to be corroborated and substantiated by experimental verification. Higgs will/would never win the Nobel Prize if the boson he predicted is/was not found experimentally.

The first nine FPP winners were celebrated in a ceremony in Geneva, during the evening of March 20, 2013, in the international conference center. Furthermore a vast number of other FPP related prizes were awarded: in addition to the Fundamental Physics Prize, the Special Fundamental Physics Prize, the Physics Frontiers Prize and the New Horizons in Physics Prize. A total of well over twenty winners – it was a long evening...

The first Special Fundamental Physics Prize was awarded twice: one for Stephen Hawking (3 million dollars for predicting black hole radiation) and one for the experimental discovery of the Higgs boson. 3 million dollars shared (not equally) by seven (7) recipients. When I was confidentially informed about this ‘Large Hadron Collider prize’ a couple of months ago I was excited, happy: seven colleagues with most of whom I had closely worked together, including old friends. 

The ceremony, alas, was not commensurate with the standing of the scientists, the community they represent and missed the opportunity to celebrate science. I felt alienated from my colleagues and my field, I felt nothing of the joy of discovery. It was embarrassing. A famous actor leading the show. A famous piano player playing the piano ‘virtuoso’. A famous journalist ‘interviewing’ the recipients live from New York. Money can buy their presence, but not the ‘soul’ that is essential for a successful celebration.

Science is intrinsically democratic, ‘inclusive’ for everybody with an open mind; that is what the Fundamental Physics Prize should underline. And now, back to work.

Jos Engelen

March 30, 2013

Eclips

Een zonsverduistering boezemt ons geen angst meer in. Anders was dit in de oudheid toen er onheilspellende voortekenen in werden gezien. De sterrenkunde kan dit verschijnsel nu in detail verklaren en niemand vreest het meer, omdat we het begrijpen. Onze grip op de wereld om ons heen is verstevigd door wetenschappelijke kennis die in de loop van de tijd en in het bijzonder de laatste twee eeuwen opgebouwd is. Die kennis heeft ons welvaart gebracht – een welvaart die vraagt om nieuwe wetenschappelijke kennis om de mensheid niet aan het eigen succes ten onder te laten gaan. Kennis over klimaatverandering, over nieuwe energiebronnen, over voedselproductie; over hoe deze planeet op termijn met 9 miljard mensen te delen. Inzicht in wat de wetenschap vermag geeft mij vertrouwen in de toekomst.

Kortgeleden raakte ik, onverwacht, gevangen in een menigte demonstranten in Brussel. Openbaar vervoer noch taxi konden mij naar het station brengen. Te voet liep ik mee met een grote menigte in rode en groene jasjes. Ik kon nergens uit opmaken waar de demonstranten zich voor inzetten. De sfeer was grimmig. Af en toe ontplofte Belgisch vuurwerk. Ik dreef mee in de stroom, bij het station gekomen werd ons de toegang ontzegd, maar een zijingang was wel open. Binnen krioelde het van rode en groene jasjes. Velen verdrongen zich voor de winkeltjes waar koffie, broodjes en andere etenswaren worden verkocht. En verder gebeurde er niets. De menigte was, denk ik, op weg naar huis.

Ik voelde me zoals de primitieve mens zich gevoeld moet hebben bij een zonsverduistering. Ik voelde me bedreigd omdat ik niet begreep wat er gebeurde. Ik heb behoefte aan duiding. Wetenschappelijke duiding!

Jos Engelen

3-3-2013