Het standaardmodel: waar is alles van gemaakt?

Het standaardmodel beschrijft de kleinste deeltjes in ons universum, en de natuurkrachten die daar op inwerken. We beschrijven die deeltjes en krachten in dit artikel eerst in grote lijnen, en gaan er vervolgens dieper op in.

Om op het niveau van de deeltjes uit het standaardmodel te komen, moet je flink wat stappen inzoomen. Als je een druppel water onder een sterke microscoop legt, zie je dat water uit moleculen bestaat. Eén zo’n watermolecuul bestaat uit twee waterstofatomen en een zuurstofatoom. Kijk je binnenin een zuurstofatoom, dan zie je een kleine kern, waar acht elektronen (negatief geladen deeltjes) omheen cirkelen. Maak je de kern open dan tref je daar acht protonen (positief geladen deeltjes) en een aantal neutronen (deeltjes zonder lading). Open je die protonen en neutronen, dan zie je dat elk uit drie quarks bestaat. Quarks en elektronen zijn elementaire deeltjes.

Naast elementaire deeltjes bestaat het standaardmodel uit drie natuurkrachten: de zwakke en de sterke kernkracht en de elektromagnetische kracht. Deze krachten bepalen de interacties tussen de deeltjes, bijvoorbeeld of ze elkaar afstoten of aantrekken. Hoe gevoelig een deeltje is voor de drie krachten hangt af van de eigenschappen van het deeltje. Zo zorgt de eigenschap kleur (niet die uit het dagelijks leven) van quarks ervoor dat ze de sterke kernkracht voelen en bepaalt de eigenschap massa hoe gevoelig een deeltje voor de zwaartekracht is. Waar het standaardmodel de zwakke en sterke kernkracht en de elektromagnetische kracht beschrijft, is dat nog niet gelukt met de zwaartekracht.

In het standaardmodel zijn drie van de vier natuurkrachten opgenomen: de sterke kernkracht, de zwakke kernkracht en de elektromagnetische kracht. Ze regelen de interacties tussen de verschillende deeltjes. De sterke kernkracht is het cement dat de deeltjes en subdeeltjes van de atoomkern stevig bij elkaar houdt. Het is de kracht die quarks aan elkaar verbindt en zo stevigheid geeft aan neutronen en protonen. Op een hoger niveau houdt deze kracht ook protonen en neutronen bij elkaar. Zonder deze kracht zouden de positief geladen protonen in de atoomkern elkaar afstoten en de atoomkern uit elkaar vallen.

Het standaardmodel bevat twee groepen met elementaire deeltjes: fermionen en bosonen. Hoewel de namen exotisch zijn, is het idee erachter niet zo heel ingewikkeld. Zo verschillen de deeltjes van elkaar in een aantal eigenschappen, waaronder de lading en de massa. Vergelijk het met een klassenfoto waarop je kinderen kunt indelen in groepen met hetzelfde geslacht, haarkleur of het al dan niet hebben van een bril. Zo bepaalt het verschil in spin het verschil tussen de fermionen en bosonen. Fermionen hebben een spin van 0,5 en zijn de bouwstenen van de materie. Bosonen hebben een spin van 1 en brengen de natuurkrachten over.

Binnen de groep van de fermionen zijn de quarks de bouwstenen van protonen en neutronen. Van de quarks heb je weer twee soorten: up- en downquarks. Upquarks hebben een lading van +2/3, downquarks een lading van -1/3. In een neutron zitten twee downquarks en een upquark, samen zijn die neutraal in lading (2 x -1/3 + 2/3 = 0). Twee upquarks en een downquark maken een positief geladen proton (-1/3 + 2 x 2/3 = 1). De andere groep van de fermionen zijn de leptonen. In deze groep zitten onder meer het elektron dat een lading van -1 heeft, en het neutrino dat lading 0 heeft.

Neutrino's zijn wonderlijke deeltjes: ze vliegen bijna overal dwars doorheen - ook door jou en mij, zelfs dwars door de aarde - en gaan misschien wel sneller dan het licht.

In het kanton Genève in Zwitserland staat het beroemdste onderzoekscentrum van de wereld: CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Meer dan 10.000 wetenschappers uit meer dan 100 landen werken er samen om de allerkleinste deeltjes te onderzoeken. Doel is het onderzoeken van de fundamentele bouwstenen van de materie.

CERN bestaat uit een enorme deeltjesversneller, de Large Hadron Collider (LHC). Dit is een ondergronds cirkelvormig tunnelcomplex met een omtrek van 27 kilometer. Met behulp van een elektromagnetisch veld worden hierin protonen tot bijna de lichtsnelheid rondgeslingerd. Ze maken 11.000 rondjes per seconde. In een reeks gigantische detectoren (de ATLAS detector is 25 meter hoog en 46 meter lang) maken deze protonen een frontale botsing. Hierbij knallen ze uit elkaar in hun kleinere onderdelen die gemeten worden door detectoren. Hoe groter de energie, hoe kleiner de deeltjes zijn die vrijkomen. En hoe groter de detector, hoe preciezer de metingen zijn die je ermee kunt doen. Daarom zijn de apparaten van CERN zo waanzinnig groot en verbruiken net zo veel energie als het hele kanton Genève.

Het standaardmodel klopt helemaal, maar één ding ontbrak lange tijd: massa. Dit gaat niet om de zwaartekracht, maar om wat je traagheid zou kunnen noemen. Als je in een ruimtepak in de ruimte zweeft en je geeft een duw tegen een tennisbal, dan zweeft die tennisbal van je vandaan. Geef je een duw tegen een raket, dan ben jij degene die wegzweeft. Dit komt door de massa van objecten.

Deze massa werd door Peter Higgs beschreven als een onzichtbaar energieveld (het Higgsveld) dat het hele universum omspant. Sommige deeltjes (bijvoorbeeld protonen) bewegen door dit veld alsof ze door stroop gaan, andere deeltjes (bijvoorbeeld fotonen) hebben er geen last van en bewegen als door lucht.

Als er een Higgsveld bestaat, moet er ook een deeltje zijn dat het draagt. Dit deeltje voorziet andere deeltjes van massa. Zonder zo’n deeltje (het kreeg de naam Higgsboson), zouden alle andere deeltjes onmogelijk sterren, planeten of mensen kunnen vormen. Lange tijd was het Higgsdeeltje het ontbrekende puzzelstukje in het standaardmodel. Tot het in 2012 werd ontdekt met de ATLAS en CMS detectoren van CERN. Dit zou je een van de grootste gebeurtenissen in de geschiedenis van de wetenschap kunnen noemen. In 2013 kregen Peter Higgs en Francois Englert, de bedenkers van het deeltje, de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Het onderzoek naar de elementaire deeltjes is veelvuldig bekroond met Nobelprijzen. Twee daarvan gingen naar Nederlandse wetenschappers. In 1999 gaat de Nobelprijs voor de natuurkunde naar Martinus Veltman en Gerard ’t Hooft. Veltman en zijn toenmalige promovendus ’t Hooft redden het standaardmodel door een wiskundig model te maken. Dit model geeft een theoretische verklaring voor het fenomeen dat bij heel hoge energie de zwakke kernkracht en de elektromagnetische kracht versmelten tot de elektrozwakke kracht. Een prestatie die tot dan toe als onmogelijk wordt gezien en die sindsdien de basis van het standaardmodel vormt.

De andere Nederlandse Nobelprijs in dit verhaal ging in 1984 naar Simon van der Meer. Hij krijgt de prijs voor de cruciale inbreng in de deeltjesversneller van CERN waarmee in 1983 de W-bosonen en het Z-boson (de dragers van de zwakke kernkracht) worden ontdekt. Van der Meer deelt zijn prijs met zijn Italiaanse collega Carlo Rubbia.

Het onderzoek naar elementaire deeltjes is nog lang niet afgerond. Zo is de rol van de zwaartekracht in het standaardmodel nog onopgehelderd. De zwaartekracht speelt een rol in de wereld van elementaire deeltjes, maar is aanzienlijk zwakker dan de andere drie krachten. Vermoedelijk bestaat er een deeltje dat de zwaartekracht draagt: het hypothetische graviton. Natuurkundigen denken dat we het deeltje nooit zullen vinden, omdat de energie die nodig is om het graviton aan te tonen hoger is dan we op kunnen wekken.

Maar misschien is er helemaal niet zoiets als een graviton. Een alternatieve oplossing is die van de Nederlandse natuurkundige Erik Verlinde. In zijn theorie is zwaartekracht geen fundamentele kracht zoals die in het standaardmodel, maar een fenomeen dat net als warmte op een hoger niveau optreedt.