Vruchtbare mix van theorie en praktijk
Tegenpolen ontrafelen het mysterie van materie
No way dat Anastasia Borschevsky het lab in zou gaan. Ze wist al vroeg in haar studie dat ze gemaakt was voor de theorie. Liever maakt ze computermodellen van atomen en moleculen, waarmee ze het gedrag van elektronen kan voorspellen.
No way dat Steven Hoekstra achter een pc zou gaan zitten rekenen. Hij wist al snel dat hij met zijn handen wilde werken. ‘Ik hou ervan om experimenten te doen en dingen te proberen. Vonken maken en experimenteren met lasers, en zien wat er gebeurt als ik dit of dat doe.’
Experimenteel natuurkundige Hoekstra en theoretisch natuurkundige Borschevsky zijn beiden groepsleider bij het Van Swindereninstituut voor deeltjesfysica aan de RUG. Ze werken al jaren samen aan een grote vraag die veel natuurkundigen bezighoudt: waarom bestaat er nog materie?
Dwaalspoor
Ze zijn allebei natuurkundigen, maar, zeggen ze, de theoretische en experimentele fysica zijn twee heel verschillende takken van sport. Waar de theoretici modellen maken, doen de experimentalisten – de naam zegt het al – fysieke experimenten. Want theorieën en experimenten zijn de laatste anderhalve eeuw zo ingewikkeld geworden, dat een natuurkundige allang niet meer beide zelf kan doen.
Je zit een beetje in je eigen bubbel en dat kan leiden tot een tunnelvisie
Steven Hoekstra
Maar dat heeft nadelen, beseffen de twee. Je kunt gemakkelijk op een dwaalspoor komen als je je experimentele uitkomsten niet direct toetst aan de theorie en andersom. ‘Als de interactie alleen via wetenschappelijke artikelen plaatsvindt, dan gaat dat heel traag’, zegt Hoekstra. ‘Bovendien staat heel veel daar niet in, alleen de succesverhalen.’
Binnen je eigen vakgebied ben je omringd door mensen met dezelfde manier van denken. ‘Je zit dan een beetje in je eigen bubbel. Dat kan leiden tot een tunnelvisie met beperktere ideeën, ook al heb je dat zelf niet door.’
Verdwenen materie
Dat kan het heel erg moeilijk maken om oplossingen te vinden voor complexe problemen, zoals dat van de materie die volgens het geaccepteerde standaardmodel van de deeltjesfysica niet kán bestaan. Hoekstra: ‘Bij de oerknal ontstond zowel materie als antimaterie. Als die elkaar tegenkomen, verdwijnen de deeltjes, waarbij hun energie wordt omgezet in licht.’
Maar dat betekent óók dat in de loop van de tijd alle materie zou moeten verdwijnen. En dan rest de vraag: waarom is dat nog niet gebeurd? ‘Dat kun je alleen verklaren als de verdeling al vanaf het begin asymmetrisch was’, vervolgt Hoekstra, ‘want als er meer materie dan antimaterie is, dan blijft uiteindelijk alleen het overschot aan materie over.’
En inderdaad, het universum bestaat voor zover we kunnen zien voornamelijk uit materie. Ontstaat er ergens toch nog antimaterie, dan is die snel weer verdwenen doordat hij weer ergens materie tegenkomt.
Nieuwe theorieën
Toch is die verklaring niet genoeg. Volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica kan er wel een heel klein verschil geweest zijn tussen materie en antimaterie, maar dat is zeker niet genoeg om te verklaren wat we in het universum zien, vertelt Hoekstra. ‘Men is het er in het algemeen wel over eens dat het standaardmodel incompleet is.’
Je moet leren over elkaars expertise om dezelfde taal te kunnen spreken
Steven Hoekstra
Dus hebben theoretici tientallen nieuwe theorieën opgesteld om het standaardmodel met de werkelijkheid te verenigen. Borschevsky: ‘Uiteindelijk wil je immers weten welke theorie zou kunnen kloppen en welke je kunt uitsluiten.’
Om die theorieën te testen, is samenwerking vereist. Dat doen ze op het Van Swindereninstituut. Samen met een aantal andere onderzoekers houden Hoekstra en Borschevsky regelmatig group meetings. ‘Zeven groepsleiders, zeven PhD-studenten, twee postdocs, een aantal masterstudenten… We zitten dan wel met twintig mensen bij elkaar.’
Het is een heel divers team met zowel theoretici als mensen die experimenten doen. ‘Je hebt een andere manier van kijken naar hetzelfde onderwerp, verschillende perspectieven bij elkaar’, zegt Hoekstra. ‘Dat is heel stimulerend, het geeft een nieuwe impuls voor experimenten en een nieuwe richting voor de theoretici.’
Eigen jargon
Gemakkelijk is dat niet altijd. Elk vakgebied heeft zijn eigen jargon en manier van redeneren. ‘Je moet begrijpen wat de ander doet’, vertelt Hoekstra. ‘Je moet leren over elkaars expertise om dezelfde taal te kunnen spreken.’
De beide vakgebieden gebruiken soms verschillende formules om hetzelfde fenomeen te beschrijven. ‘We hebben een keer meegemaakt dat twee PhD-studenten wekenlang hebben moeten puzzelen om twee van die formules te combineren’, zegt Borschevsky.
Aan de andere kant levert de samenwerking interessante nieuwe inzichten op. Zo vroegen studenten van de experimentele kant aan de theoretici waarom ze geen foutbalken in hun grafieken hadden. Borschevsky: ‘Als je een berekening doet, komt daar maar één waarde uit. Als je dat herhaalt en er komt iets anders uit, dan heb je een probleem.’
Ik evalueer nu de onzekerheden in de methoden, dat deed ik eerst niet
Anastasia Borschevsky
Maar die berekeningen waren wel gebaseerd op bepaalde aannames. Als je daarvan de onzekerheid meeneemt en verschillende scenario’s doorrekent, kun je toch een marge geven. Borschevsky heeft sindsdien haar proces aangepast: ‘Ik evalueer nu de onzekerheden in de methoden, dat deed ik eerst niet. Maar uiteindelijk moet je op de berekeningen vertrouwen, dat is het belangrijkste voor een goede samenwerking.’
Dipoolmoment
Momenteel is het tweetal bezig één mogelijke oplossing voor het materieprobleem te onderzoeken. Die gaat uit van de gedachte dat niet alleen materie asymmetrisch verdeeld is in het heelal, maar dat lading ook asymmetrisch verdeeld is in elektronen. Als je die asymmetrie daar dus ook vindt, denken de onderzoekers, dan kan het ontstaan van materie in de oerknal ook asymmetrisch zijn geweest.
In hele moleculen is zo’n ‘dipoolmoment’ al waargenomen. In die gevallen zit aan de ene kant van het molecuul meer lading dan aan de andere, doordat een van de atomen harder aan de (negatief geladen) elektronen ‘trekt’. Maar in een fundamenteel deeltje zoals een elektron is het nog nooit gezien. En zelfs als het gevonden wordt, zal die waarde ongelooflijk klein zijn. Een rechtstreekse meting is sowieso onmogelijk.
Ik heb experimentele waarden nodig om de theorie aan te scherpen
Anastasia Borschevsky
Daar komen theorie en praktijk prachtig samen, zeggen Hoekstra en Borschevski. Hoekstra en zijn team bouwden een apparaat waarmee hij bariummonofluoride-moleculen (BaF) ‘gevangenzet’. BaF is maar een klein molecuul van twee atomen, maar bestaat wel uit 65 protonen, 65 elektronen en ongeveer net zoveel neutronen. ‘Daar kun je dus nooit exact van berekenen wat die doen; dat is veel te complex’, vertelt Borschevsky.
Ze gebruikt daarom kwantummechanische modellen en krachtige computers om het gedrag van de deeltjes te voorspellen. ‘Jij hebt het molecuul in de computer zitten’, zegt Hoekstra tegen Borschevsky.
Precieze metingen
Die voorspellingen zijn onmisbaar voor Hoekstra. ‘Ik heb ze nodig om mijn experiment goed in te stellen.’ Hij koelt met behulp van lasers de BaF-moleculen zo sterk af, dat ze nauwelijks nog bewegen. Op deze manier heeft hij meer tijd om hele precieze metingen te doen. En ook voor de interpretatie van de resultaten zijn de modellen belangrijk, zodat Hoekstra op basis van metingen aan hele moleculen iets kan zeggen over enkele elektronen.
Andersom kan Borschevsky ook niet zonder de experimenten van Hoekstra. Borschevsky: ‘Ik heb experimentele waarden nodig om te controleren of de computermodellen goed aansluiten bij de werkelijkheid, en om de theorie aan te scherpen.’
‘Door theorie en experiment te combineren hebben we nu de moleculen gekenschetst’, vertelt Hoekstra. ‘We zoeken uit in hoeverre de theoretische methoden nauwkeurig zijn en hoe gevoelig de metingen.’
Ze kunnen hun moleculen nu goed koelen en ze weten hoe snel BaF weer terugkeert op zijn normale energieniveau na het experiment.
‘De komende tijd gaan we die componenten samenvoegen voor het definitieve experiment. Dat moet over twee jaar de eerste resultaten opleveren’, zegt Hoekstra.
Borschevsky knikt: ‘Dankzij onze gezamenlijke onderzoeken weten we nu hoe we dit uitdagende experiment moeten uitvoeren.’