Ach (Velt)man! from Nick Van Remortel, 26. Januari 2009

Ach (Velt)man!
from Nick Van Remortel, 26. Januari 2009, 15:52
Op donderdag 22 januari was ik als toeschouwer aanwezig bij een debat tussen mijn collega
deeltjesfysicus Pierre Van Mechelen en niemand minder dan Nobelprijswinnaar Martinus Veltman. De
gelegenheid was georganiseerd door het Vlaams-Nederlands Huis ‘deBuren’ in Brussel. Het thema
van het gesprek was ‘de deeltjesversneller uitgelegd’, waarmee ik vermoed dat men de LHC
bedoelde.
Misschien is het nuttig om toch even kort de bijdrage van Veltman in de
elementaire deeltjesfysica te schetsen. Eerst en vooral is het tijdskader
waarin Veltman als jonge onderzoeker actief was uniek. De jaren 195070 waren de gouden jaren van de deeltjesfysica: experimentele en
theoretische doorbraken volgden elkaar aan een sneltempo op,
gedreven door de meest briljante geesten die de moderne natuurkunde
heeft gekend. De gemeenschap was deeltjesfysici toen nog relatief
klein, het was een periode waar iedereen elkaar kende, waar
theoretische deeltjesfysici soms dagelijks een bezoek brachten aan
hun experimentele collega’s en waarbij men samen nog last-minute
veranderingen aanbracht aan een experiment, of waarbij de theoreticus
nog snel een grootheid uitrekende die de experimentator best makkelijk
kon meten met zijn nieuw toestel. Het werk van Veltman vat je niet
zomaar samen in een paar lijnen, maar hij zette min of meer de kroon
op een denkproces dat al in de veertiger jaren was begonnen met het
werk van Feynman toen die de relativistische kwantumveldentheorie
van het elektromagnetisme uitvond: QED. De vergelijkingen van QED behoren tot een verzameling die
ijktheorieën genoemd worden. IJktheorieen zijn de ultieme vorm van bottom-up formulering van
fysische wetten.
Wat je in het begin van je natuurkundestudie leert zijn de empirische wetten van wat we nu als de
‘klassieke’ natuurkunde verstaan. De vergelijkingen beschrijven één of een aantal natuurlijke
fenomenen van een bepaalde aard: denk maar aan de zwaartekrachtswet van Newton, de wet van
Ohm, de wet van Boyle-Mariotti, de wet van Planck enzovoort. Al die wetten zijn erg nuttig in het
dagelijkse leven en worden nog steeds door alle ingenieurs ter wereld toegepast. Het probleem is dat
ze ogenschijnlijk allemaal los van elkaar staan
en niet gebaseerd zijn op een aantal fundamentele eigenschappen van de natuur. IJktheorieen zijn dit
wel en ze zijn gebaseerd op een aantal fundamentele symmetrieën van het fysische systeem dat
wordt beschreven.
Een aantal eenvoudige voorbeelden van die symmetrieën is de vrijheid van keuze in het ‘nulpunt’ van
het systeem, spiegel- en rotatiesymmetrie. De enorme kracht en schoonheid van deze theorieën ligt
nu net in het feit dat ze een fysisch fenomeen echt ten gronde beschrijven en bijgevolg een grotere
hoeveelheid fenomenen, vooral op kwantumniveau, heel precies kan voorspellen. Daarom zijn ze zo
enorm populair en nuttig in de elementaire deeltjesfysica, de fysica van het allerkleinste.
Nu hebben ijktheorieeen de eigenschap dat ze oorspronkelijk erg lastig waren om precies een
meetbare fysische grootheid uit te rekenen die men dan kon gaan meten in het laboratorium. Het
kwam erop neer dat de standaardtechniek van de storingsrekening, die toegepast werd in de
kwantummechanica als een soort van reeksontwikkeling waarbij de precisie van de voorspelling
toenam naarmate men meer kleiner wordende termen in de wiskundige reeks uitrekende, hopeloos
faalde. Het merendeel van de termen in de wiskundige reeks bleken oneindig te worden indien men
de regeltjes blindelings toepaste. Het vergde een enorme genialiteit om in te zien dat je de wiskundige
reeks kon herschikken en herschrijven volgens een wel gedefinieerd schema dat men renormalisatie
noemt. Renormalisatie werd voor het eerst laboureus en handmatig toegepast door pioniers als
Feynman en zijn tijdgenoten en later formeel aangepakt door Veltman en zijn toenmalige student ‘t
Hooft bij de ontwikkeling van de elektrozwakke theorie die QED verenigde met de zwakke
wisselwerking en werd geformuleerd door Weinberg, Glashow en Salam. Het is de formulering van de
elektrozwakke theorie in combinatie met het werk van Veltman en ‘t Hooft dat aan de basis ligt van het
succesvolle Standaard Model van elementaire deeltjes dat nu al gedurende bijna veertig jaar alle
experimentele tests doorstaat.
Het werk van Veltman liet dus, kort samengevat,
toe dat je ijktheorieen kan maken zoveel je wil (van
het zogenaamde massaloze Yang-Mills type) en
dat je met een precies ‘voorschrift’ meetbare
eigenschappen kan uitrekenen. Beeld je in wat een
succes mensen zoals Veltman hadden: ze vormden
een brug tussen de ontwikkelaars van nieuwe
fundamentele theorieën over de natuur en de
experimentatoren die nieuwe ideeën wilden testen
door een aantal concrete voorspellingen erg
precies te meten. Niemand had de draagwijdte en
het succes van het Standaard Model ooit kunnen
bedenken en het is moeilijk om jezelf voor te stellen
hoe krachtig de combinatie is, maar ze beschrijft werkelijk zonder probleem honderden metingen van
de meest diverse grootheden bij de meest diverse energieën tot op een ongeëvenaarde precisie en de
theorie verwondert ons evenveel als ze ons frustreert. De reden is dat je pas grote vooruitgang boekt
wanneer je een bestaande theorie kan verwerpen en vervangen door een meer volledig,
fundamenteler inzicht. Er zijn veel argumenten die aantonen dat het Standaard Model niet volledig kan
zijn en op een bepaald moment in conflict moet treden met het experiment. De ultieme vraag is, met
welk experiment, en bij welke energie? De oplossing tot deze vraag is de LHC en wel hierom, de LHC
en haar experimenten zijn zo gemaakt dat ze nagenoeg alle mogelijke voorgaande tests van het
Standaard Model kan herhalen over een energiebereik dat tientallen keer groter is dan alle
voorgaande tests. Het is de combinatie van die twee factoren die ons de hoop geeft dat de LHC het
instrument zal zijn waarmee het Standaard Model zal worden omver geworpen. Daarom is alles aan
de LHC zo groot en kost alles zoveel geld.
Je zou kunnen stellen dat men domheid oplost met geld en instrumenteel ‘geweld’, maar dit moeten
we toch nuanceren. We zijn al 40 jaar lang slimme tests aan het bedenken en we zijn er telkens in
gefaald om ook maar enige duidbare afwijking van het Standaard Model te vinden en geen enkel
fysicus slaagt erin om de ultieme grootheid te vinden die het meest gevoelig is aan de beperkingen
van het Standaard model. Daarom doen we nu na 40 jaar frustratie de brute-force-aanpak met de
LHC, maar wel op een doordachte manier. Het energiebereik van de LHC en de intensiteit van haar
deeltjesbundels zorgt ervoor dat we de het Standaard Model behoorlijk gaan brutaliseren. Stel je voor
dat je de luxe hebt om 100 miljard Galapagos-eilanden te maken om steeds met lichtelijk andere
begincondities de evolutieleer van Darwin te testen.
Het is hier waar Veltman het oneens is met de mainstream natuurkundigen: hij stelt zich erg cynisch
op tegenover de brute-kracht-aanpak van de LHC. Niet alleen dat, hij stelt zich ook erg cynisch op
tegenover zijn theoretische collega’s die gedurende de laatste 40 jaar bezig zijn om alternatieven voor
het Standaard Model te formuleren. Ik ging naar het debat in Brussel met de hoop iets meer achter
Veltmans motivaties voor die houding te weten te komen en ook om eventueel een visie (utopisch of
niet) over de toekomst van het vakgebied te horen, maar ik bleef helaas op mijn honger zitten.
Mede door een vrij oppervlakkige moderatie ontaardde het gesprek in een woordenspel of de oerknal
nu al dan niet een goed propagandaplaatje is voor de LHC, of sterrenkunde nu al dan niet een
fundamentele wetenschap is, maar de discussie ten gronde over het onderzoeksprogramma van de
LHC werd niet gevoerd, grotendeels omdat Veltman een flauwe pose aannam waarbij hij alles zonder
veel argumentatie afdeed als kletskoek en zich bovendien nogal neerbuigend gedroeg tegenover het
publiek. ‘Ach Veltman, bewijs je het vakgebied hier nu echt een dienst mee’, zat ik met groeiende
frustratie te denken. Ik had niet de moed om hem openlijk te confronteren, grotendeels uit respect en
ook wel een stukje gêne, maar het bleef de afgelopen week wel door mijn hoofd malen.
Bewees Veltman mij misschien een dienst? Het zette me aan het denken en ik moet hem helaas op
vele punten gelijk geven, maar wil ook wel nuanceren. We leven niet meer in dezelfde tijd als 40 jaar
geleden waar het merendeel van de deeltjesfysici (experimentatoren en theoretici) vrij coherent
meewerkten aan de uitbouw van het Standaard Model. Er zijn momenteel 1001 alternatieven voor het
Standaard Model, maar allen zijn slechts variaties op een beperkt aantal kernthema’s:
Supersymmetrie, nieuwe interacties, samengesteldheid van onze huidige elementaire deeltjes en het
bestaan van extra ruimtelijke dimensies. Welke het Standaard Model zal vervangen weten we niet en
de kans is groot dat nog niemand de vervangende theorie bedacht heeft.
Is de kloof tussen de theoretici en experimentatoren vergroot? Ik denk het wel, maar hoe kan het ook
anders. De tijd dat men gezamenlijk met opgerolde mouwen aan iemands experiment ‘morrelde’ is
voorbij. Alles is een specialisatie op zich geworden en de opbouw, complexiteit en budgetten zijn
multinationaal-industrieel. Theoretici hebben hun fantasie gedurende tientallen jaren de vrije loop
gelaten en zeer abstracte denkwijzen opgebouwd die vaak meer de grenzen van de wiskunde dan de
fysica hebben verlegd (OK, ik kan ook soms cynisch klinken). Hun modellen zijn soms zo ver van de
wereld dat een experimentator als ik er kop nog staart aan krijgt: Wat kan ik nu precies meten om dit
model te testen? Sommigen gaan zelfs zover dat experimentele testbaarheid geen hoofdzaak meer
wordt en eerder een belemmering van hun creatieve denken. Een hele generatie jonge
experimentatoren heeft zich enkel beziggehouden met het bestuderen van simulaties: dingen die men
bij de LHC zou kunnen observeren, of het ontwikkelen van computeralgoritmes, of het vinden van de
juiste lijm waarmee men sensor x best verbindt met structuur y. Het wordt tijd dat we met echte
nieuwe gegevens aan de slag kunnen.
En wat met de LHC? Gaat het eindelijk iets nieuws vinden? Gaat het ons allemaal weer op het goede
spoor brengen? Eerlijk gezegd, we kunnen alleen maar hopen en we worden er zo nerveus van omdat
we niet weten of er achter die berg het beloofde land ligt. En langs de zijlijn roept het publiek ons toe:
Zijn jullie er al? Zie je al iets?
Zoals Veltman het in een beter moment van het gesprek stelde: Het is vrij saai wanneer men op zoek
is naar de zee en na dagenlang klimmen over een reeks heuvels uiteindelijk, wel, alleen maar de zee
vindt. Laten we in elk geval hopen dat we op zijn minst de zee zien, en niet weer een berg waarover
we de komende 20 jaar moeten proberen te klauteren. Laten we ook afspreken dat we cynisme
vervangen door enthousiasme en dat we alles uit deze dure operatie halen wat eruit te halen valt, met
de financiële en morele steun van dat ‘domme’ publiek.
© Nick Van Remortel: http://ruimtelogs.scilogs.be/index.php?op=ViewArticle&articleId=35&blogId=5