Je leest:

Nobelprijs Natuurkunde 2008

Nobelprijs Natuurkunde 2008

Auteur: | 7 oktober 2008

De Nobelprijs voor de Natuurkunde gaat dit jaar naar drie deeltjesfysici. De in Japan geboren Amerikaan Yoichiro Nambu ontvangt de helft van de prijs voor de ontdekking van het mechanisme achter spontane symmetriebreking in subatomaire deeltjes. De andere helft wordt gedeeld door de Japanners Makoto Kobayashi en Toshihide Maskawa die hebben ontdekt dat er, door zo’n zelfde symmetriebreuk, drie families quarks moeten zijn.

Veel natuurlijke voorwerpen lijken op het eerste gezicht symmetrisch. Een sinaasappel is bijvoorbeeld bijna een perfecte bol, en de linker- en rechterhelft van een mens lijken ook erg veel op elkaar. Maar vaak zijn er in zo’n ogenschijnlijk symmetrische situatie kleine verschillen, die de symmetrie breken. Naast de symmetrieën, die een elegante beschrijving van veel natuurwetten mogelijk maken, blijken juist ook de symmetriebrekingen op alle niveaus belangrijk te zijn voor het beschrijven van onze wereld. De Nobelprijswinnaars van dit jaar houden zich bezig met verschillende soorten symmetriebreking, en hebben zo een belangrijke bijdrage geleverd aan onze kennis van subatomaire deeltjes en hun gedrag.

De drie Nobelprijswinnaars. Links Yoichiro Nambu, die de helft van de prijs wint voor zijn werk aan spontane symmetriebreking. Rechts Makoto Kobayashi en Toshihide Maskawa, die de andere helft delen voor hun onderzoek naar symmetriebreking in elementaire deeltjes.

Up, down, strange, charm, top en bottom

In 1964 werd ontdekt dat bij het verval van het kaon, een deeltje dat is opgebouwd uit een quark en z’n symmetrische tegenpool het anti-quark, twee verschillende symmetriebrekingen voor konden komen. Een kaon is een vreemd deeltje dat niet vaak gevormd wordt, en is omdat het uit kleinere bouwstenen (in dit geval quarks) bestaat, geen elementair deeltje. Met de toen geldende theorieën ware de symmetriebrekingen niet te verklaren. Er werd bij berekeningen vanuit gegaan dat deeltjes geen onderscheid maken tussen links en rechts en dat deeltjes niet van hun antideeltje te onderscheiden zijn, maar het vervallende kaon lapte die regels aan zijn laars.

De Japanners Makato Kobayashi en Toshihide Maskawa slaagden er in 1972 in om het vreemde verval van het kaon uit te leggen. Hun verklaring voorspelde ook dat er naast de twee families van quarks die er toen bekend waren nog een derde familie nodig was. De deeltjes die ze aan het Standaardmodel toevoegden om symmetriebreking te verklaren zijn ondertussen allemaal gevonden in deeltjesversnellers.

Quarks zijn de kleinste bouwsteentjes van materie die we kennen. Illustratie: The Royal Swedish Academy of Sciences

Spontane symmetriebreking

Hoewel de ontdekking van de andere Nobelprijswinnaar, de Amerikaan Yoichiro Nambu, ook vooral interessant is in het veld van de elementaire deeltjes, was hij aanvankelijk helemaal niet met zulke deeltjes bezig. Het raadsel waar hij mee worstelde was spontane symmetriebreking: processen waarin een symmetrische situatie van het ene op het andere moment omslaat in een niet-symmetrische toestand. Een eenvoudig voorbeeld van spontane symmetriebreking is te zien als je een potlood op zijn punt probeert te laten balanceren. Die toestand is symmetrisch, maar toch zal het potlood omvallen. De minder symmetrische toestand die dan ontstaat – een potlood dat op tafel ligt – is veel stabieler. De meest stabiele toestanden zijn degenen die de kleinst mogelijke hoeveelheid energie nodig hebben.

Nambu keek naar spontane symmetriebreking in supergeleiders. Dat zijn materialen die, als je ze voldoende koud maakt, van het ene op het andere moment hun elektrische weerstand verliezen. De supergeleidende, weerstandloze toestand is niet symmetrisch, maar energetisch gezien wel stabieler. Om tot een verklaring te komen combineerde Nambu zijn waarnemingen met de kennis die we hebben over het vacuüm: nog zo’n energetisch voordelige toestand die alles behalve symmetrisch is. Het vacuüm is namelijk niet leeg, maar er worden aan de lopende band deeltjes gevormd en vernietigd.

Pas toen zijn theorie klaar was, zag Yoichiro Nambu dat het mogelijk was om de theorie ook op elementaire deeltjes toe te passen. Dat inzicht heeft geleid tot de theorie van het Higgs-veld, dat verklaart waarom deeltjes een massa hebben, en waarom de verschillende massa’s zo uiteen lopen. Volgens die theorie was het Higgs-veld vlak na de oerknal symmetrisch, en alle deeltjes massaloos. Toen het heelal een beetje afkoelde vond er symmetriebreking plaats, waardoor het Higgs-veld een stroperig krachtveld werd dat wisselwerkt met deeltjes en ze zo hun massa geeft. In de nieuwe deeltjesversneller LHC wordt nu hard gezocht naar het Higgs-deeltje, dat zou aantonen dat het Higgs-veld bestaat.

Het Standaardmodel In het Standaardmodel van deeltjes komen drie verschillende soorten deeltjes voor: leptonen, quarks en bosonen of krachtdeeltjes. De materie zoals we die om ons heen zien is gemaakt van een combinatie van quarks en leptonen. Deze deeltjes kennen drie families. De bekendste, en degene waar wij van gemaakt zijn, is de meest linkse kolom in het schema. Onze atomen hebben een kern van protonen en neutronen, die op hun beurt van up- en down-quarks gemaakt zijn. Om die kern heen vliegen elektronen. Neutrino’s, in de derde rij in het groen, zijn hele kleine, bijna massaloze deeltjes die nodig zijn voor de energiebalans. De tweede en derde kolom zijn andere families van materie, die qua eigenschappen erg op de onze lijken. Ze komen minder voor, en hebben vaak een korte levensduur. In de rechterkolom staan nog vier deeltjes om het verhaal compleet te maken: de deeltjes die verantwoordelijk zijn voor de vier fundamentele krachten. Om het Standaardmodel helemaal sluitend te maken hoort hier nog een laatste deeltje bij: het Higgs-boson, waar in de Large Hadron Collider naar wordt gezocht. Illustratie: Fermilab

Asymmetrische wereld

Dat symmetriebreking ten grondslag ligt aan heel fundamentele natuurwetten is ondertussen, mede door de Nobelprijswinnaars van dit jaar, al heel duidelijk. Het wachten is nu nog op een verklaring van de belangrijkste symmetriebreuk die we kennen: de asymmetrie tussen materie en antimaterie bij de oerknal. Bij de Big Bang moet namelijk een enorme hoeveelheid energie zijn omgezet in materie, en daarbij is het vanwege de hierboven genoemde symmetrie noodzakelijk dat al die energie behouden blijft. Om daaraan te voldoen moet er dus precies evenveel materie als anti-materie zijn gevormd, maar dat geeft ook gelijk een groot probleem. Immers, als een deeltje zijn anti-deeltje tegenkomt heffen de twee elkaar op, waarbij ze terugveranderen in energie.

In de praktijk blijken we echter in een wereld te leven die bijna helemaal van materie is gemaakt, en anti-materie is maar zeldzaam en instabiel. Tijdens de oerknal moet er dus een asymmetrie zijn ontstaan, waarbij iets meer materie dan antimaterie werd gevormd. Of de theorieën van Nambu, Kobayashi en Maskawa ook dat uiteindelijk kunnen verklaren zal nog moeten blijken.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 oktober 2008

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.