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.

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.

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.

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.