Drie Amerikanen slepen dit jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde in de wacht: David J. Gross (Universiteit van Californië), H. David Politzer (California Institute of Technology – CalTech) en Frank Wilczek (Massachusetts Institute of Technology – MIT).

Prijswinnaar Frank Wilczek is in de Nederlandse natuurkundewereld geen onbekende. De 53-jarige natuurkundige is buitenlands lid van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen en in 1998 was hij Lorentz-hoogleraar aan de Universiteit van Leiden. Nog geen maand geleden maakte Wilczek deel uit van de vijfkoppige visitatiecommissie die het natuurkundig onderzoek aan de beide Amsterdamse universiteiten heeft beoordeeld.

De drie Nobelprijswinnaars kregen de prijs voor groots nadenken over kleine dingen. Over quarks, om precies te zijn: de bouwstenen van de protonen en neutronen in atoomkernen.

Het drietal wist te verklaren waarom quarks altijd in twee- of drietallen voorkomen. Zwaartekracht zwakt af als de afstand tussen twee deeltjes oploopt, maar de sterke kernkracht die quarks bij elkaar houdt groeit dan juist. Hoe harder je trekt, hoe harder de quarks zich aan elkaar vastklampen. Dat verklaart waarom ze nooit ‘los’ voorkomen, maar altijd in paren of drietallen. Met de ontdekking kwam de natuurkunde een stap dichter bij een overkoepelende theorie voor alle krachten en deeltjes.

Alles bestaat uit…

Iedereen heeft het zich weleens afgevraagd; waar is alles nou van gemaakt? Terwijl de meesten van ons – meestal met een glas wijn of bier in de hand – wat aanfilosoferen over die vraag, zoeken natuurkundigen al eeuwenlang serieus naar het antwoord.

De zoektocht begon al met de oude Grieken. De filosoof Democrites (460 – 370 v. Chr.) was een van de eersten die het idee van een kleinste bouwsteen opperden. Je kon materiaal volgens deze filosofen niet onbeperkt opdelen: op een gegeven moment liep je tegen het kleinste deeltje op. A-tomos (on-deelbaar) noemden ze dat deeltje. Later verbasterden schei- en natuurkundigen dat tot atoom.

Griekse elementen

Waar dat atoom dan van gemaakt was, daar bakkeleiden de oude filosofen graag over. Thales van Milete (ca. 640 – 546 v.Chr.) zei dat alles was opgebouwd uit water. Dat was namelijk overal aanwezig: in de zee, als regen in de lucht, als bodemwater in de aarde. Volgens Anaximenes (ca. 570 v. Chr.) bestond alles uit lucht, terwijl Heraclitus (ca. 540 – 475 v. Chr.) vuur als bouwsteen van de wereld om ons heen voorstelde.

Het was Empedocles (ca. 490 – 430 v. Chr.) die niet één, maar een aantal elementen gebruikte om materie uit op te bouwen. In zijn wereldbeeld was de materie opgebouwd uit vier elementen: aarde, water, lucht en vuur. Combinaties van die elementaire atomen vormen de wereld om ons heen.

Met het atoom hield de zoektocht naar de kleinste bouwsteen niet op. Ernest Rutherford bombardeerde in 1911 een stukje goudfolie met alfa-straling (helium-kernen). Tot zijn verbazing ketste niet alle straling terug – blijkbaar zat er holle ruimte in de goud-atomen! Inderdaad blijken atomen te bestaan uit atoomkernen en elektronen. De eerste dragen bijna alle massa van het atoom. Elektronen en atoomkernen hebben een tegengestelde elektrische lading; daarom trekken ze elkaar aan.

Quantumtheorie van het elektromagnetisme

Die elektrische aantrekking tussen elektronen en atoomkernen is maar één kant van de elektromagnetische kracht, een van de vier basiskrachten in de natuur. In 1959 kregen Sin-itiro Tomonaga, Julian Schwinger en de beroemde Richard Feynman de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun werk aan de Quantum ElektroDynamica (QED), de quantumtheorie van elektromagnetische kracht. Die theorie is zó nauwkeurig, dat het verschil tussen metingen en voorspellingen van de QED pas negen nullen achter de komma zichtbaar wordt.

Het wordt nog erger. Atoomkernen bleken ook al splitsbaar. Kerncentrales, atoomwapens maar ook de contrastvloeistof van een radioloog werken door dat principe. Atoomkernen bestaan uit twee soorten deeltjes, bijna even zwaar: protonen en neutronen. Protonen zijn positief geladen, neutronen hebben geen elektrische lading. In een normaal atoom komen ze ongeveer in gelijke hoeveelheden voor. In zware atomen zitten steeds meer neutronen per proton.

Kernkrachten

Bent u er nog? Tijd voor wat realisme. Plus en plus stoten elkaar af, dat weet u misschien nog uit de natuurkundeles: twee magneten met de noordpolen naar elkaar duwen gaat moeilijk. Op dezelfde manier stoten protonen in atoomkernen elkaar af. De kracht groeit als de afstand daalt, en in atoomkernen zitten protonen enorm dicht op elkaar: de krachten zijn gigantisch. Waarom knallen atoomkernen door dat geweld niet uit elkaar?

Blijkbaar is er een aantrekkende kracht die de kerndeeltjes bij elkaar houdt. Sterk genoeg om de atoomkernen bij elkaar te houden tegen de elektrische afstoting in; de neutronen en protonen oefenen die onbekende kracht blijkbaar op elkaar uit en houden elkaar zo bijeen. Vandaar dat een zware atoomkern meer neutronen nodig heeft: eenvoudig om de tegendruk van al die protonen te overwinnen.

Natuurkundigen noemen deze kracht de sterke kernkracht. Het is – zoals de naam al aangeeft – niet de enige kracht tussen subatomaire deeltjes. De zwakke kernkwacht (of zwakke wisselwerking) maakt het mogelijk dat allerlei deeltjes in en om atoomkernen met elkaar reageren. Deze kracht kan bijvoorbeeld neutronen splitsen in protonen, elektronen en het ultralichte, ladingsloze neutrino. Dat laatste deeltje reageert zo lauw op andere materie, dat het zonder problemen door de hele aarde heenzoeft. Ze ontstaan onder andere in kernreacties in de zon. Per seconde knallen er miljarden van die spookdeeltjes door ons lichaam.

De Nederlandse Nobelprijswinnaars Veltman en ’t Hooft (1999) hielpen een probleem op te lossen in de theorie waarin de elektromagnetische kracht tussen geladen deeltjes en de zwakke kernkracht twee facetten van één diepere kracht zijn.

De twee Nederlanders konden niet zomaar de succesvolle technieken van de QED gebruiken; de benaderingsmethode die in de QED keurige resultaten levert, ‘blaast op’ als je haar toepast op de zwakke wisselwerking. Veltman en ‘t Hooft moesten een algemenere methode ontwikkelen om de oneindigheden in deze formules tegen elkaar te balanceren. Hun werk maakte het onder andere mogelijk de massa van deeltjes nauwkeurig te voorspellen. Dat is uitvoerig getest met het Z- en de W-deeltjes. Die massieve ’boodschappers’ dragen de invloed van de zwakke kernkracht over. Het bestaan ervan werd in het Geneefse versnellerlab CERN aangetoond.

Een pikant detail is dat Gerard ’t Hooft in 1973 dezelfde berekeningen maakte waarvoor Gross, Politzer en Wilczek nu de Nobelprijs ontvangen. Hij presenteerde die op een conferentie maar publiceerde ze niet in een vakblad.

Dierentuin

Protonen en neutronen, ontdekten natuurkundigen in het begin van de 20e eeuw, zijn niet onbreekbaar. Er zijn talloze reacties waarin atomen exotische deeltjes uitzenden, die zelf ook weer in andere deeltjes opbreken. Er ontstond een hele dierentuin van ‘elementaire deeltjes’: protonen, neutronen, pionen, sigma, omega…het hield maar niet op.

Elke keer dat natuurkundigen – volgens beproefd recept – twee deeltjes snoeihard tegen elkaar lieten klappen ontstonden er nieuwe en onbekende deeltjes. Teken dat er kleinere bouwstenen waren die in steeds wisselende combinaties steeds nieuwe ‘deeltjes’ vormden. Deze bouwstenen der bouwstenen werden quarks genoemd. Ze komen voor in drie families, telkens iets zwaarder dan de voorgaande, maar met dezelfde elektrische lading. En wonder boven wonder, ze worden alleen in de bulkhoeveelheid van samengestelde deeltjes verkocht: er is nog nooit een losse quark waargenomen. Waarom niet?

De aantrekkingskracht tussen quarks heet de sterke kernkracht, weer een van de vier basiskrachten tussen elementaire deeltjes. Natuurkundigen noemen de sterke kernkracht ook wel de kleurkracht. Ze hebben de drie mogelijke ladingen van de sterke kernkracht namelijk rood, groen en blauw genoemd. De antikleuren zijn cyaan, geel en magenta. Het is weer eens wat anders dan +1 en -1.

De kleurkracht wordt vreemd genoeg sterker als de afstand tussen de deeltjes groeit. Andersom voelen quarks elkaar nauwelijks als ze dichtbij elkaar zijn – bijvoorbeeld gezellig samen in een proton. Het lijkt alsof quarks met elastiekjes aan elkaar zitten. Daarom zijn ze ook niet los te weken: hoe harder je trekt, duwt en moeilijk doet, hoe harder ze zich verzetten!

Het verschijnsel heet asymptotische vrijheid. Gross, Politzer en Wilczek wisten er in 1973 een elegante wiskundige beschrijving van te geven. Hun werk vormde de basis voor de succesvolle theorie van de Quantum Chromodynamica (QCD).

De QCD is zelf maar een (belangrijk!) onderdeel van het Standaard Model voor elementaire deeltjes. Die succesvolle en uiterst exacte theorie beschrijft alle wisselwerkingen (op de zwaartekracht na) tussen de bouwstenen van de materie. Elektromagnetisme, zwakke en sterke kernkracht komen erin samen. Alle reacties van het ene kerndeeltje op het andere worden erdoor voorspeld. Zes quarks, zes leptonen, vier boodschapperdeeltjes, en goed schudden…daar, zeggen natuurkundigen, is alles van gemaakt.