Reis naar de kern | 1. De fundamenten van de natuur

Waar is alle materie uit opgebouwd, en welke wetten volgen die deeltjes om alles op aarde en de rest van het heelal vorm te geven? Wat is antimaterie, en wat heeft quantumtheorie daarmee te maken? In Reis naar de kern neemt Ivo van Vulpen, deeltjesonderzoeker bij CERN in Genève en verbonden aan de Universiteit van Amsterdam, je mee langs al deze grote vragen. Je denkt misschien dat dat ver van je normale belevingswereld afstaat, maar al deze inzichten worden dagelijks gebruikt. Van de GPS op je telefoon, tot de scanners in ziekenhuizen..

Over Reis naar de Kern

Na Terug naar de Oerknal met Govert Schilling en Baan door het Brein met Iris Sommer is het nu tijd voor een nieuw avontuur: Reis naar de kern. Een fascinerende duik in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de allergrootste vragen worden beantwoord. In vijf afleveringen zoomen we in op de wereld van het atoom, de quantummechanica, antimaterie en de ontdekking van het Higgs Boson.

Reis naar de Kern is een podcast van BNR. Tekst en presentatie: Ivo van Vulpen. Concept: Connor Clerx. Eindredactie: Annick van der Leeuw. Montage: Gijs Friesen en Connor Clerx. Sounddesign en mixage: Gijs Friesen.

Over Ivo

Ivo van Vulpen is als deeltjesfysicus werkzaam aan de Universiteit van Amsterdam, het Nationaal Instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) en hij doet onderzoek bij de deeltjesversneller (Large Hadron Collider) bij CERN in Genève. Hij is hoogleraar Wetenschapscommunicatie, in het bijzonder betreffende de natuurkunde, aan de Universiteit Leiden. In 2018 verscheen zijn eerste boek: De melodie van de natuur.

Lees ook dit artikel op BNR.nl

Transcript aflevering

Je kunt prima honderd jaar oud worden en onbevangen door het leven stappen zonder je ooit af te vragen hoe je eigenlijk elektriciteit maakt, waarom glas wel doorzichtig is en steen niet, hoe de zon aan haar energie komt of hoe het überhaupt mogelijk is dat er zoiets bestaat als een heelal. Maar als je die vraag eenmaal hebt gesteld en op zoek gaat naar het antwoord blijkt er bijna altijd een fascinerende wereld achter schuil te gaan. Al die kennis over hoe de natuur zich gedraagt hebben we als mensheid in de geschiedenis stukje bij beetje verzameld. Hoewel deze zoektocht wordt gedreven door pure nieuwsgierigheid, hebben de meeste nieuwe inzichten en de nieuwe technieken die ontwikkeld moesten worden om het antwoord te vinden ook steeds weer hun weg gevonden naar ons dagelijks leven. Sterker nog, ze vormen zonder dat veel mensen dat beseffen, de basis van onze moderne maatschappij: zonder relativiteitstheorie geen GPS, zonder quantummechania geen computerchip, zonder anti-materie geen PET scan om tumoren te localiseren … en zonder deeltjesversnellers geen manier om kwaadaardige tumoren te bestralen. 

Het zoeken naar antwoorden op deze grote ‘waarom-vragen’ is absoluut niet makkelijk. De natuur geeft haar geheimen namelijk niet zomaar prijs en het heeft generaties wetenschappers enorm veel bloed, zweet en tranen gekost om de natuur haar geheimen te ontfutselen. Dat doen we door haar gedrag in detail te bestuderen, patronen te herkennen en zo stap voor stap door te dringen tot de plek waar het antwoord verborgen ligt. Die onbedwingbare drang om steeds weer grenzen te verleggen is een menselijke eigenschap die we heel goed kennen uit de sport en van ontdekkingsreizigers uit een ver verleden. En hoewel het vaak de woorden ‘groter’, ‘hoger’ en ‘sneller’ zijn die we associëren met vooruitgang is er ook een groep wetenschappers die juist de uitdaging zoekt in precies het tegenovergestelde: ‘klein, kleiner, kleinst’. Het is een internationale groep wetenschappers, waar ik er ook een van ben, die in onderzoeksinstituten en laboratoria over de hele wereld op zoek zijn naar de elementaire bouwstenen van de natuur. Waar is alle materie toch uit opgebouwd? En welke wetten volgen die deeltjes om alles op aarde en de rest van het heelal vorm te geven? Deze fascinerende zoektocht naar de fundamenten van de natuur is het onderwerp van deze podcast.

Ik ben Ivo van Vulpen, een Nederlandse deeltjesonderzoeker verbonden aan de Universiteit van Amsterdam en het onderzoeksinstituut Nikhef. In de eerste vier afleveringen ben ik je gids op weg naar het randje van de kennis en vertel ik je hoe het ons in de afgelopen honderd jaar gelukt is om steeds weer een diepere laag bloot te leggen; in een wereld die letterlijk heel dichtbij is, maar die zo klein is dat we het niet met onze ogen kunnen zien. Ik vertel over de fascinerende ontdekkingen die we gedaan hebben. Ik ga bijvoorbeeld vertellen dat net zoals kinderen met een paar legoblokjes de meest fantastische bouwwerken kunnen maken, ook de natuur, met al haar complexiteit, van sterren en planeten, tot en met de microfoon waar ik nu in praat ook is opgebouwd uit maar een handjevol bouwstenen. In de vijfde en laatste aflevering vertel ik wat er nog te ontdekken is. En hoe we van plan zijn die antwoorden te vinden. 

Deze tak van de wetenschap staat ver af van het clichébeeld dat mensen vaak hebben van onderzoekers als wereldvreemde zonderlingen in een stoffig laboratorium. Het is een wereldwijde onderneming waarin wetenschappers uit bijna alle landen van de wereld samenwerken, samen moeten werken in grote experimentele onderzoekscentra zoals het Europees centrum voor deeltjesfysica, CERN in Genève. Zulke samenwerkingsverbanden zijn verre van triviaal. Natuurkundigen kunnen enorm eigenwijs zijn en om dan ook nog eens natuurkundigen uit verschillende landen met elkaar samen te laten werken is op het eerste gezicht een ideaal scenario voor problemen. En toch lukt het ons. Maar hoe dan? Uiteindelijk blijkt de sleutel te liggen in het feit dat we een gedeelde droom hebben. We delen die universele en on-be-dwing-bare nieuwsgierigheid, die honger naar antwoorden op de mysteries die we niet begrijpen. Vanuit Nederland doen veel universiteiten mee in dit avontuur en er is zelfs een nationaal instituut: het Nikhef, het Nationaal instituut voor subatomaire fysica in Amsterdam.

Maar laten we niet langer om de materie heen draaien en de diepte in duiken.

Om achter de natuurwetten te komen is er maar één mogelijkheid: je moet je de natuur ‘ondervragen’. De natuur praat natuurlijk niet letterlijk terug, maar je kunt wel dingen uitproberen en kijken wat er gebeurt. Kinderen doen dat automatisch. “Hoe reageren mijn ouders als ik heel hard ga gillen in een supermarkt en doet het echt pijn als ik mijn vinger in de vlam hou?”. Hoewel ik uit eigen ervaring kan vertellen dat ouders niet altijd hetzelfde reageren, werkt de natuur volgens ijzeren principes en altijd hetzelfde: de natuurwetten. Door patronen te ontdekken in gedrag dringen door tot de onderliggende mechanismes. En dat werkt net zo goed bij menselijk gedrag als bij de wereld van het allerkleinste. Grenzen verleggen is niet makkelijk en het is goed om voor we in de wereld van het allerkleinste duiken eerst te laten zien hoe ingewikkeld het is om patronen te vinden en welke interessante gevolgen het kan hebben als het je lukt om een onderliggend mechanisme bloot te leggen.

Eerst over het proces van patronen herkennen. Stel je nou eens voor dat je een buitenaards wezen bent dat naar onze planeet komt en dat je gevraagd wordt om de spelregels van het spel voetbal te achterhalen. Er is wel een eis die je taak extra lastig maakt: je mag zoveel wedstrijden bekijken als je wilt, maar je mag niemand iets vragen. Je komt er dan vast vrij snel achter dat het spel zich afspeelt binnen de witte lijnen van een rechthoek, dat er twee teams zijn van 11 spelers, dat er na 45 min gewisseld wordt van speelhelft en dat het doel is om zoveel mogelijk doelpunten te maken. Maar waarom heeft één speler een andere kleur dan zijn teamgenoten en mag hij de bal wél in zijn handen pakken? En hoe kom je erachter wie die twee mensen zijn die langs de lijn met een vlag heen en weer rennen en zul je ooit de regels van buitenspel ontdekken? Dat kán wel, maar is niet gemakkelijk. Precies zo werkt het ook met het ondervragen en bekijken van de natuur. Niemand zegt hierbij trouwens dat de spelregels logisch moeten zijn. Sterker nog, de natuurwetten zijn niet logisch. Geen enkele. De quantummechanica en de relativiteitstheorie, die we later tegen zullen komen, zijn vreemd en bizar en daarmee in zekere zin analoog aan de buitenspelregel in het voetbal. Absurd, maar wel een realiteit. En als je die regel eenmaal geaccepteerd hebt is het daarna logisch wat je ziet gebeuren.

Het zoeken naar en herkennen van patronen is niet alleen aan wetenschappers voorbehouden natuurlijk. Biologen en boeren weten bijvoorbeeld al heel lang dat eigenschappen van dieren en organismes worden doorgegeven aan nakomelingen. Een bekend voorbeeld is bijvoorbeeld het gegeven dat de oogkleur van een kind bepaald wordt door de oogkleur van de ouders. Deze kennis over het overerven van eigenschappen wordt ook in de landbouw gebruikt bij het veredelen van gewassen en selecteren van bepaalde eigenschappen zoals resistentie voor ziektes of aanpassen aan specifieke omstandigheden als droogte of zout. We zien dus dat de natuur op een bepaalde manier werkt, maar niet hoe het werkt. Ergens in elk mens is dus blijkbaar informatie over de oogkleur opgeslagen, maar waar dan? Uiteindelijk is het pas in de jaren zestig van de vorige eeuw gelukt die vraag te beantwoorden toen wetenschappers Crick, Watson en Franklin (die laatste wordt helaas vaak, al dan niet per ongeluk, vergeten in de rij van ontdekkers) erin slaagden de dubbele helixstructuur van het menselijk DNA te ontdekken. Daar bleek alle genetische informatie opgeslagen te zijn en bracht ons naar het hoe en waarom. Die genetische informatie blijkt opgeschreven in een taal die maar uit vier bouwstenen bestaat, de nucleotides C, T, G en A. Een taal met maar vier letters dus! Ongelooflijk, als je bedenkt dat we in onze eigen taal 26 letters hebben als bouwstenen van woorden. Als mensheid zijn we druk bezig die taal van het DNA te verkennen. We leren zo niet alleen waar informatie verborgen over de oogkleur, maar ook over aanleg voor specifieke ziektes, en kunnen dat hopelijk ook weer gebruiken om die te voorspellen en te voorkomen.

Deze succesverhalen zijn mooi, maar het is goed om te beseffen dat de wetenschap vaak een verhaal is van enorm veel frustratie, van verkeerde paden inslaan en hopeloos verdwalen. Maar af en toe lukt het om ineens een stap te maken. Door een briljant inzicht van een individuele wetenschapper die ineens op een helder moment als eerste het patroon doorziet, of door een nieuwe techniek die een nieuwe wereld blootlegt. De ruimte voor wetenschappers om af en toe een zijpad in te slaan om een gek ideeën na te jagen is een cruciaal element van onderzoek doen. Als er nooit een vreemde snuiter was gaan experimenteren met elektriciteit hadden we nu nog steeds alleen maar kaarsen gehad in plaats van elektrische lampen. Hetzelfde geldt voor LED lampen natuurlijk, maar ook in de medische wereld zijn voorbeelden te vinden zoals de ontdekking van penicilline.

 In het dagelijks leven gebruiken we onze ogen, neus, oren, mond en handen om de wereld om ons heen waar te nemen. Ontzettend handig, maar hoe goed onze zintuigen ook zijn, ze zijn niet perfect. We weten bijvoorbeeld dat er toonhoogtes zijn die ons oor niet kan opvangen maar die honden prima kunnen horen. Dat betekent dus dat er dus wel eens een fantastische wereld vol schitterende muziek en geluiden om ons heen zou kunnen zweven die voor ons verborgen blijft omdat ons lichaam simpelweg tekortschiet. Hetzelfde geldt voor licht. Ook daarvan weten we dat er kleuren zijn die wij als mens niet kunnen zien. Zo kunnen bijen ultraviolet licht zien die zorgt dat ze makkelijk bloemen kunnen vinden. Maar hoewel ons lichaam soms tekortschiet, zijn we als mensen wel enorm inventief. We hebben manieren gevonden om deze verborgen werelden hoorbaar en zichtbaar te maken er zo in rond te lopen. Dat geldt ook voor de wereld van het allerkleinste.

Elke ontdekkingstocht staat of valt met de juiste uitrusting. Als je naar de Noordpool wilt heb je meer aan warme kleren en een slee met honden dan aan een pak van Hugo Boss en een BWM. En wil je naar Mars, dan heb je een raket nodig. En bij onze reis, het afdalen in de wereld die nog kleiner is dan het DNA, heb je een deeltjesversneller nodig.

Al lang geleden ontdekten mensen dat je door een ingenieuze combinatie van lenzen objecten die ver weg waren ‘dichterbij’ kon halen: de telescoop. Toepassingen te over, van scheepsvaart, oorlog, en het bestuderen van wilde dieren tot de astronomie zoals bijvoorbeeld de ontdekking van de ringen van Saturnus door onze eigen Christiaan Huygens. Maar ook ‘de andere kant op kijken’ lukte: de microscoop. We kennen allemaal het beroemde voorbeeld van Antoni van Leeuwenhoek die de wereld van bacteriën ontdekte.

En hoewel mensen in de eeuwen erna steeds betere lenzen leerden maken, weten we dat je met een microscoop nooit objecten zult kunnen bekijken die kleiner zijn dan ongeveer een miljoenste meter. Dat is een factor duizend kleiner dan een potloodstreep en zo klein dat we er ons niets meer bij voor kunnen voorstellen, maar de vraag was waarom een microscoop dan niet meer werkt? Als mens zien we dingen omdat licht afketst van voorwerpen en in onze ogen terechtkomt. Nou ketst licht alleen af van voorwerpen die groter zijn dan het licht zelf (dat is een natuurkunde-feitje dat u even van me aan moet nemen), en omdat het licht dat we met onze ogen kunnen registreren ongeveer een miljoenste meter is betekent dat die afmeting het kleinst is dat we kunnen zien. Een fundamentele horde dus, maar gelukkig betekent dat niet dat je bij de pakken neer moet gaan zitten. Het betekent alleen dat je met de technieken die je op dat moment hebt, niet vastloopt. Je moet dus iets slims bedenken. Iets nieuws. Net zoals je bij een ontdekkingstocht een boot nodig hebt als je bij een rivier komt of een ladder als je over een muur heen moet klimmen. En dat is gelukt. 

De truc is ‘om te kijken zonder je ogen te gebruiken’. Ook met je ogen dicht kun je nog prima het verschil voelen tussen een mes en een vork en in de wetenschap hebben we een soortgelijke methode ontwikkeld om objecten af te tasten. We gebruiken daarbij alleen niet onze vingers, maar gebruiken kleine knikkers (kleine deeltjes eigenlijk) die we op het voorwerp afschieten om vervolgens te kijken hoe deze knikkers afketsen. De manier waarop dat gebeurt vertelt ons namelijk iets over de vorm en eigenschappen van een voorwerp. Dat knikkers anders afketsen van een basketbal dan van een fiets zal duidelijk zijn, maar als je alleen de afgeketste knikkers zou mogen bekijken kunt je je voorstellen dat het heel lastig is om te achterhalen dat het een fiets was waar de knikkers vanaf zijn geketst in plaats van een bureaustoel. Laat staan dat we kunnen herkennen of het een oma-fiets of een racefiets was. Maar het kan wel. Lastig. HEEL lastig! Maar niet onmogelijk. En dat is precies wat we doen als deeltjesfysici.

Die knikkers zijn daarmee de vingers waarmee we de wereld aftasten. Ik gebruik hier voor het gemak het beeld van knikkertjes omdat we dat allemaal herkennen, maar eigenlijk zijn het kleine deeltjes. Hoe kleiner die knikkertjes zijn, hoe kleiner de structuren waar ze van afketsen en hoe kleiner de details zijn die we kunnen waarnemen. Een van de gekke dingen die we ontdekt hebben is dat hoe harder een knikkertje of deeltje beweegt, hoe kleiner die wordt. En dat is dan ook de belangrijkste taak van een deeltjesversneller: kleine deeltjes maken. Het sterkste vergrootglas dat we hebben op de wereld is dan ook de grote deeltjesversneller in Genève, de Large Hadron Collider. Daarmee kunnen we structuren van een miljoenste van een miljoenste van een miljardste meter bekijken. Dat is weer zo’n getal waarvan het moeilijk is een idee te vormen, maar laat ik proberen je een idee te geven van hoe klein dat is. We kennen vast allemaal maanzaad dat soms op witte bolletjes zit en we hebben allemaal weleens een dag doorgebracht in een bloedhete auto op weg naar onze vakantiebestemming in Frankrijk. Stel nou eens dat je heel Frankrijk bedekt met maanzaad, dus van Lille tot de Pyreneeën en van Nice tot Quiberon. Eén zo’n maanzaadje ten opzichte van de oppervlakte van Frankrijk is dezelfde fractie als het kleinste brokstukje dat we kunnen bestuderen tot een meter. Waanzinnig! Naast de materie aftasten heeft een deeltjesversneller nog een tweede feature. Het blijkt namelijk dat je in een deeltjesversneller de energie van de botsende deeltjes kunt gebruiken om ook zelf nieuwe deeltjes te maken.

Natuurlijk moeten we al die afgeketste kogeltjes en nieuwe deeltjes ook kunnen opvangen en dat doen we met behulp van deeltjesdetectoren. Dat zijn een soort grote fotocamera’s die ook, zo zullen we zien, in ziekenhuizen gebruikt worden. Daar ga ik in de volgende aflevering meer over vertellen.

Overal op de wereld zijn internationale samenwerkingsverbanden op zoek naar antwoorden op de grote onbegrepen vragen uit de natuur. Dat doen ze niet alleen met behulp van de deeltjesversneller op CERN in Genève, maar ik heb ook collega’s die met behulp van een vat vloeibaar gas (Xenon voor de liefhebbers) onder een berg in Italië op zoek zijn naar donkere materie en weer andere collega’s die een fototoestel zo groot als een kubieke kilometer aan het bouwen zijn op de bodem van de Middellandse Zee om te zoeken naar zogenaamde neutrino’s die vanuit het heelal komen en dwars door de aarde vliegen. Bij veel van die onderzoeken spelen Nederlandse onderzoekers een belangrijke rol. Onderdeel van die groep nieuwsgierige natuurkundigen die af en toe ineens linksaf slaan terwijl iedereen rechtdoor loopt. Dromers en avonturiers.

Ik ga je in de komende afleveringen meenemen op onze ontdekkingstocht. In de volgende aflevering leren we de wereld van het atoom kennen via de quantummechanica, de atoomkrachten en het besef dat alles op aarde maar uit drie stukjes blijkt te zijn opgebouwd. In de afleveringen daarna hebben we het over het beroemde Standaard Model, exotische zaken als anti-materie en kernkrachten en het dagelijks leven op CERN. En natuurlijk komt ook de ontdekking van het Higgs boson voorbij, een ontdekking die een paar jaar geleden de Nobelprijs heeft gekregen en waar ik en mijn collega’s enorm trots op zijn. En als ik mijn werk een beetje goed doe, dan vind jij het aan het eind van aflevering vier ook volkomen terecht. Zoals beloofd probeer ik ook om bij elke nieuwe stap verder de diepte in (de stap naar nog kleinere structuren van de materie) te laten zien op welke manier de kennis weer in ons dagelijks leven terugkomt. En we sluiten de serie af met de grote open vragen, de mysteries, de vragen waar nog geen antwoord op is. De mysteries waar we als natuurkundigen van wakker liggen. En waar een antwoord op moet zijn. Maar waar dan? De natuurkunde is niet klaar. Kortom: avontuur!

See omnystudio.com/listener for privacy information.