Stan Bentvelsen, onze man bij de deeltjesversneller

‘Binnenkort gaan we helemaal los!’

Hij wil voorop staan in de jacht op de ontbrekende schakel in de natuurkunde, het Higgs-deeltje. Hoogleraar elementaire deeltjesfysica Stan Bentvelsen over het zelf maken van zwarte gaten en de paradoxen van de natuur.

Medium stan bentvelsen 2

NEE, HIJ IS NIET naar de End of World-party’s gegaan die in Genève en omgeving werden gehouden op de avond voordat de Large Hadron Collider, ’s werelds grootste deeltjesversneller - en met een omtrek van 27 kilometer het grootste door mensen gemaakte apparaat ooit - voor het eerst werd opgestart. Het in zwarte kleding dansen op de rand van de vulkaan op muziek van The Cure heeft hoogleraar elementaire deeltjesfysica Stan Bentvelsen (Den Hoorn, 1965) naar eigen zeggen achter zich gelaten: ‘Ik stond natuurlijk bij de versneller, dat vond ik interessanter. Dat was 10 september 2008. Vlak daarna is de versneller stuk gegaan - daar was helemaal geen feest voor nodig.’

Tweeënhalf jaar later, de Frans-Zwitserse grens. Ingeklemd tussen Alpen en Jura ligt CERN, het Europees Laboratorium voor deeltjesfysica. In de verte de Mont Blanc. Dichterbij het Lac de Genève. Als het aan sommige fysici had gelegen, was de deeltjesversneller misschien nóg wel groter geworden, zegt Bentvelsen: 'Maar er bestond de vrees dat bij verder graven het Meer van Genève leeg zou lopen.’

Een metalen buisje van pakweg vijf centimeter doorsnee, waardoor waterstofprotonen geschoten worden, met 99,999998 procent van de snelheid van het licht, in 2808 kleine pakketjes van acht centimeter lang en een haardikte dik. Daaromheen 1232 supergekoelde magneten om de protonen in het juiste spoor te houden. Met een witte bouwhelm met in plakletters 'Stan B.’ fietst Bentvelsen soms door de versneller. Maar nu niet. 'We kunnen niet naar beneden; ze zijn vandaag aan het testen. De protonen gaan rond. Ze willen zoveel mogelijk pakketjes protonen erin krijgen en we verwachten binnenkort een hausse van botsingen, te beginnen in mei. Iets later dan we misschien hadden gehoopt, maar dan gaan we helemaal los.’

Nerds met vlasbaardjes eten tarte au citron. De kantine van Atlas, de grote detector die straks de botsende deeltjes moet analyseren, ligt nog net op Zwitserse bodem, dus je betaalt er met Zwitserse francs. Op honderd meter diepte draait de Large Hadron Collider warm. 'Over die versneller hoef je je niet druk te maken’, zegt Bentvelsen, 'die draait wel.’ Op tachtig meter diepte, pal onder het gebouw, ligt het eigenlijke apparaat, de Atlas-detector, waaraan Bentvelsen is verbonden: een gigantische cilinder met de afmetingen van het Paleis op de Dam, volgestopt met meetapparatuur, die straks de nieuwe deeltjes moet opsporen die uit de botsende protonen ontstaan. 'Het gaat mij om het detecteren van die botsingen, het vinden van nieuwe deeltjes. En een van de meest urgente vragen waar we op dit moment in de elementaire deeltjesfysica mee te maken hebben is de vraag: bestaat het Higgs-deeltje - of niet?’
Het illustere Higgs-boson, de heilige graal van de deeltjesfysica, door de Britse natuurkundige Peter Higgs voorspeld, maar tot nu toe niet gevonden. Als het ontdekt wordt, zal het de wereld zoals we die nu kennen op z'n kop zetten. Als het niet ontdekt wordt eveneens.

'Binnen twee jaar zullen we het Higgs-deeltje hoogstwaarschijnlijk vinden’, zegt Bentvelsen. 'Of zullen we zeker weten dat het niet bestaat. De Large Hadron Collider is zo krachtig dat-ie, zelfs nu-ie voorlopig op halve kracht draait, alle mogelijke massa’s die het Higgs-deeltje zou kunnen hebben, bestrijkt. Het wordt spannender en spannender omdat we de mogelijke verschijningsvormen van het Higgs-deeltje steeds meer aan het inperken zijn. Op een gegeven moment sluiten alle netten zich om dat Higgs-deeltje heen, en ófwel je staat met lege handen, ófwel je hebt ’t. En beide gevallen betekenen voor ons een volgende stap in het begrip hoe de natuur in elkaar steekt op elementair niveau. Het is alsof je in een kamer staat en daar vind je een gesloten deur. We weten dat we met deze versneller de sleutel hebben om die deur te openen. We komen dan in een nieuwe, onbetreden ruimte terecht van onontgonnen terrein. En ja: het betekent dat we iets nieuws gaan zien!’

DE DEELTJESFYSICA begon zo'n honderd jaar geleden, met de ontdekking door Thomson van het elektron in 1897. Het was de kleinste bouwsteen van de materie; een elementair deeltje. Daarvoor wisten we niet of moleculen en atomen begrippen waren die zich louter in de geest afspeelden of dat ze ook in werkelijkheid bestonden. Later volgde de ontdekking van het proton. En in het begin van mijn carrière, in de voorganger van deze Large Hadron Collider hier, zagen we dat het proton in feite een verschrikkelijk complex geheel is waarin zich quarks ophouden die om elkaar heen dansen en nieuwe quarks en anti-quarks maken. Geweldig; het houdt nooit op! Er zijn nu twaalf elementaire materiedeeltjes. Deze deeltjes voelen elkaars aanwezigheid door een aantal krachten. Die deeltjes en die krachten samen worden sinds de jaren zeventig beschreven door een aantal natuurwetten die we simpelweg het Standaardmodel noemen. Het Standaardmodel heeft alle experimenten glansrijk doorstaan en is algemeen aanvaard. En het Standaardmodel voorspelt het bestaan van het Higgs-deeltje.’

Wat zou dat Higgs-deeltje verklaren?

'In dat hele model van elementaire deeltjes zit nog iets heel erg scheef. Er is iets mis met het Standaardmodel, met name rond ons begrip van massa. We kennen massa als eigenschap waardoor materie elkaar aantrekt, denk aan de maan en de aarde of de appel van Newton. Zware objecten zijn moeilijker in beweging te brengen dan lichte. Maar pas dat Higgs-deeltje zou verklaren wat het begrip massa werkelijk is.

Maar op het moment dat je het Higgs-deeltje vindt, genereer je daarmee een héél nieuw type problemen! Je zegt dan: het hele heelal is gevuld met een Higgsveld, een soort stroop tussen deeltjes. Maar als je gaat kijken: ach jongen, dat Higgsveld heeft zó veel energie dat het heelal helemaal zou omkrullen tot een voetbal. En dat klopt ook weer niet. Zijn er dus andere mechanismen werkzaam? Die moeten dan een rol spelen om dát weer te verhelpen. Je voelt wel aan: we missen hier echt een fundamenteel begrip.’

En als het Higgs-deeltje niet bestaat?

'Dan zouden we alles wat tien jaar geleden is gemeten bij eerdere versnellers, die zo onwijs succesvol waren in de beschrijving van elk detail van het Standaardmodel, moeten herzien.’

Oeps!

'Als we het niet vinden, dan moet er in de natuur iets zijn dat hetzelfde resultaat geeft als het Higgs-deeltje maar blijkbaar op een geheel andere manier.’

En jij? Verwacht je het te vinden of verwacht je het niet te vinden?

'Ik sta wel bekend als de scepticus die zegt: we vinden het niet. Maar dat is pure speculatie. Maar als we het niet vinden, wordt alles alleen nog maar spannender.’

Het schijnt de running gag te zijn op CERN: 'A complete success, we didn’t find anything!’

'A complete success, we didn’t find anything… In dat geval hebben we de volle energie van de versneller nodig om te kijken wat de natuur voor alternatief heeft.’

Het probleem is dus grotesk: als het Higgs-deeltje wél bestaat, dan is het heelal zo groot als een voetbal…

'Ja. En dat is dus niet zo.’

En als het niet bestaat, is de staande theorie failliet…

'Nee, dan weten we het niet meer. En we hebben echt de resultaten van de versneller nodig om er achter te komen, ha!’

Het zal hem allerminst deren. Integendeel, het team van Atlas hoopt stiekem op 'something really, really amazing’. 'Het vinden van het Higgs-deeltje noemen sommigen onder ons bread-and-butter physics, dat is gewoon het systematisch uitsluiten van dingen en dat weten we waarschijnlijk binnen twee jaar. Maar misschien ligt er na Higgs nog een hele oceaan van nieuwe mogelijkheden die we kunnen gaan aftasten als in 2014 de versneller op volle kracht gaat draaien en er botsingen gaan plaatsvinden op die allerhoogste energie. Op volle toeren benadert de Large Hadron Collider de toestand van vlak na de Oerknal. Door ontdekkingen in de kosmologie weten we sinds een jaar of tien dat we maar vier procent van de in het heelal aanwezige materie kunnen zien. Waar verdorie is de rest? De kosmologie zegt: er moet écht een gigantische hoeveelheid deeltjes en energie zijn. Maar vanuit de deeltjesfysica hebben we daar totaal nog geen antwoord op.

En dús zou het zomaar kunnen dat we met de LHC straks deeltjes gaan maken die we totaal niet verwachtten. Maar deeltjes die alom aanwezig moeten zijn. Dat betekent dat we met mensenhanden iets gemaakt hebben, in een versneller, waarvan de conclusie is: het hele heelal zit er vol mee.’

Donkere materie?

'Bijvoorbeeld. Geen idee wat het is. Het is echte armoede dat we het donkere materie en donkere energie noemen. Maar we zien wél de gravitationele effecten ervan.’

Maar weet je eigenlijk of het materie is?

'Nee.’

OPWINDENDE ontdekkingen, hij heeft wel een lijstje: 'Extra dimensies, zware krachtdeeltjes en bovenal: supersymmetrie. Supersymmetrie zou veel problemen in één keer kunnen oplossen: de donkere materie en de voetbal van Higgs.’

Supersymmetrie?

'Alle twaalf elementaire materiedeeltjes die we kennen, zouden een supersymmetrische partner hebben. Ook zou er van elk krachtdeeltje dat we kennen - dat zijn er een stuk of vier, afhankelijk van hoe je telt - een corresponderend supersymmetrisch materiedeeltje moeten bestaan. En één van die extra deeltjes zou wel eens de donkere materie in het heelal kunnen zijn. Dan heb je ineens een reuzeklap gemaakt.’

Of misschien maakt hij pardoes straks zwarte gaten. Zo wil het gerucht. Vandaar die feesten.

'Ha ha, het heeft wel de aandacht getrokken. “Nog één keer dansen en dan donderen we in het zwarte gat!” Tot nu toe is dat niet gebleken. Maar het is uiteindelijk wél gebaseerd op een mogelijk theoretisch scenario. Het ís mogelijk: als we in een hoger-dimensionele werkelijkheid leven, vijf of zes dimensies - dat zou zomaar kunnen; de stringtheorie postuleert tenslotte elf dimensies - dan zou daarin de zwaartekracht zo sterk kunnen worden dat we in die extra dimensies die zwaartekracht gaan voelen. In onze botsingen zie je zoveel energie zich samenbundelen op zo'n klein punt dat je gevoelig kunt worden voor die kleine, opgerolde, extra dimensies - en daarbinnen zou, dat is het model, die zwaartekracht zo sterk zijn dat-ie een superklein zwart gat zou maken. Maar zelfs áls dat zou gebeuren, lig ik er geen moment wakker van.’

Nogal wiedes, want je zou verdwenen zijn in het zwarte gat.

'Haha! Van Stephen Hawking weten we: hoe kleiner een zwart gat is, hoe sneller het uit elkaar valt. En uiteindelijk, in de detector, zouden we dan de vervalsproducten van een zwart gat zien. En dat zou geweldig zijn, want, jeetje, dát is nou echt een paradigmaverschuiving! Als we zwarte gaten gaan maken en daarmee dus zeggen dat er extra dimensies zijn, ja, dan staat de wereld volstrekt op z'n kop!’

Een jongetje in de snoepkast?

'Ja, een beetje wel. Het zou fascinerend zijn om iets totaal nieuws in de natuur te vinden. We hopen allemaal dat de natuur toch anders in elkaar zit dan wij mensen denken. Omdat ik er altijd op vertrouw dat wat we vinden mooier is dan wat we hadden bedacht. De relativiteitstheorie, de kwantummechanica, het quarkmodel van het binnenste van protonen en neutronen; allemaal heel gekke werelden die je tegenkomt, maar oneindig inspirerend.’

Het wordt steeds mooier.

'Of steeds onbegrijpelijker. Tegen-intuïtiever.’

Tegen-intuïtiever?

'Ja, dat vind ik wel. Als je de relativiteitstheorie bestudeert is dat niet, zoals de bewegingswetten van Newton, iets waarmee we in onze jonge jaren zijn opgegroeid. Einstein zit dan nog niet helemaal in ons bloed en het is bijvoorbeeld niet vanzelfsprekend dat het polshorloge van je vriend wat langzamer tikt als hij met de trein aan je voorbijrijdt, of juist sneller als hij op de Domtoren van Utrecht staat en jij beneden. Dit is wel wat Einstein ons heeft geleerd.

Maar misschien dat er toch een soort ontwikkeling in zit: mensen die nu zijn opgegroeid, ook ikzelf eigenlijk wel, krijgen al vroeg te maken met kwantummechanica bijvoorbeeld; dan bouw je je intuïtie in feite met een soort van vanzelfsprekendheid op. Over een aantal jaren is dat wellicht nog veel gemakkelijker, zullen we doorwrongen zijn van de relativiteitstheorie om tijd en ruimte te beschrijven. En beyond: een van mijn studenten maakte, toen ik in een college vertelde over de mogelijkheid om bij de versneller onzichtbare, extra dimensies te observeren die ons begrip van ruimte volledig op z'n kop zullen zetten, een opmerking die me buitengewoon frappeerde. “Waarom is dat zo bijzonder?” vroeg hij. “We weten toch al lang dat er meer dimensies zijn? Volgens de stringtheorie zijn er wel tien dimensies.” Wat ik een enorme paradigmaverschuiving zou vinden, het bestaan van meer dan vier dimensies, was voor hem blijkbaar een reeds uitgemaakte zaak. Dat is een enorme verschuiving van de beleving van hoe jij denkt dat de wereld in elkaar zit.’
Klaarblijkelijk voelt hij zich redelijk senang bij dat idee. Misschien omdat hij het met de paplepel ingegoten heeft gekregen?

'Nou, daar gaat het mij om. Blijkbaar is de indoctrinatie van de theoretici zo groot dat men op voorhand al aanneemt dat er meer dan vier dimensies zijn -opgerold of wat dan ook - en is het geloof daarin aanwezig voordat er ook maar enige experimentele hint voor dat model is.’

Je gelooft niet in de snaartheorie?

'Stringtheorie wordt interessant op het moment dat er een voorspelling wordt gedaan die verifieerbaar is. Maar er is een probleem met de stringtheorie: de resolutie van de deeltjesversnellers is nog veel te grof om de string op elementair niveau te kunnen zien. We zouden, om je een idee te geven, een deeltjesversneller zo groot als de baan die de aarde om de zon maakt nodig hebben om de effecten van die snaar te kunnen meten. Elf dimensies is nu een soort modewoord. Een soort van bluff your way through physics. Mijn vak van experimentele fysica is veel meer gericht op het in de klei doorploeteren om te kijken of het wel klopt.’

Medium 0706065 01

EEN AFGEBROKEN lunch in een kaasfondue-chalet hoog in de Jura. Geen tijd, nog veel te doen. De bergen weer af gespoed, Frankrijk uit, Zwitserland in, langs de bovenmaatse elektriciteitsmasten die de versneller voeden. 'Je kunt er een complete stad mee verlichten’, zegt Bentvelsen. Met 6500 wetenschappers van vijfhonderd universiteiten uit tachtig landen is CERN een stad op zich. Hij opende op een dag een luik en trof zes à zeven Russen aan, druk in de weer met kabels. Russen lopen rond op CERN sinds de hoogtijdagen van de Koude Oorlog (het neutrale Zwitserland!). Grote synergie; en passant is op CERN het internet uitgevonden, het World Wide Web, spin-off van wetenschappers uit die tachtig landen die met elkaar in verbinding wilden blijven. In de wandelgangen Iraniërs en Chinezen. 'De spanning is voelbaar, nog één maand’, zegt Bentvelsen. Beneden turen doctoraalstudenten naar grafieken op schermen. Een ingelaste vergadering. Dan met een overvolle low-cost airline terug naar Amsterdam.
Bouwputten en wegopbrekingen. In het nieuwe Science Park in Amsterdam zijn alle Nederlandse elementaire deeltjesfysici bij elkaar gebracht op het Nikhef, het Nederlands Instituut voor subatomaire fysica. Wederom een zaak van synergie. 'Het betekent dat je een enorme werkplaats kunt maken, een elektronica-afdeling kunt inrichten en een ontwerpafdeling kunt bekostigen. De Nikhef-organisatie vind ik geweldig mooi. We zijn natuurlijk een klein land - we hebben maar een paar procent in de melk te brokkelen - maar uiteindelijk, omdat we onze krachten gebundeld hebben in dit instituut, kunnen we heel zichtbaar zijn en kunnen we heel grote projecten aanpakken. Dat hebben we ook gedaan en van de 159 of zo instituten die op CERN werkzaam zijn, zijn we ongeveer nummer tien in grootte.’

Hoe belangrijk is Nederland?

'Tamelijk belangrijk. We werken op de Atlas-detector van hoog tot laag samen. Je ontmoette vanmorgen op CERN een van mijn collega’s - die man heeft de buitenste muonkamers gemaakt, deeltjesmeetapparaten waar we veel eer mee inleggen en die draaien als een tierelier. Je hebt enorm veel expertise, op elk niveau, nodig om een meting te kunnen doen.’

Jij kunt nog geen naad lassen, bedoel je?

'Nee joh, dat kan ik helemaal niet. Mocht dit onderzoek ooit de Nobelprijs krijgen, dan moet iedereen die schroeven heeft aangedraaid, magneten gebouwd en sensoren gemaakt in de credits delen. Het wetenschappelijk bedrijf is veranderd, samenwerking is centraal komen te staan. Omdat de werkverbanden zo groot zijn geworden. De wetenschappelijke artikelen van Atlas worden gesigneerd door drieduizend personen! De competitie is fors. Er zitten tal van groepen op hetzelfde onderwerp te werken en iedereen wil daar natuurlijk het allerbeste en het allersnelste in zijn. Hoe zorg je dan als Nederlander dat je tóch zichtbaar bent?’

Door te excelleren?

'Ha! Excelleren is natuurlijk een makkelijk begrip: ach, laten we allemaal maar gaan excelleren. Maar uiteindelijk moet je natuurlijk een beetje strategisch kiezen. Kijken waar je sterke kanten liggen. Focussen is heel handig. En kijken met wie je samenwerkt.’

Is het de ambitie van Nederland om mondiaal in de top-tien te komen?

'Ik denk dat we daartoe al behoren. Niet alleen in de experimentele deeltjesfysica, maar ook bij de theorie zitten ongelooflijk sterke mensen.’

Je wilt de eerste zijn van 159 instituten?

'Ja, dat is de ambitie. Niet in alles, want dat kunnen we niet. Maar wél in een paar onderwerpen waarvan wij denken dat die cruciaal zijn. We hebben dat hier in ons team met elkaar afgesproken: op het gebied van topquarkfysica, op het gebied van de supersymmetrie en natuurlijk de Higgs.’

En dus is hij een van de drie initiatiefnemers van het Center of Excellence, het nagelnieuwe project van de Universiteit van Amsterdam dat de wereld van de kosmologie, de deeltjesfysica en de theoretische natuurkunde bij elkaar brengt op jacht naar de ultieme vraag: hoe ziet het heelal er in zijn meest extreme omstandigheden uit, vlak na de Big Bang? En kun je daar een deeltjesverklaring voor geven? De zoektocht naar de eenheid van kosmos en kwantum.
'Er zit tussen die drie vakken een enorme samenhang, dat voel je wel. We hebben dus de koppen bij elkaar gestoken. En veel geld gekregen om een nieuwe hoeveelheid ongelooflijk goeie wetenschappers aan te nemen. We zitten nog volop in de aanloopfase, maar vanuit de hele wereld stromen de sollicitaties toe.
Heel hoge ambities, ja. En nee, ik geloof niet dat we ooit klaar zijn. Ik geloof niet dat we ooit op het moment komen dat we de boel pakken, de jas aantrekken en het laboratorium sluiten want ons onderzoek is af.’

ZIJN VRIENDIN is pianiste. Zoals zoveel natuurkundigen heeft hij een passie voor muziek. Vroeger The Cure, nu meer Mozart, Bach en de laatste tijd veel Haydn. 'Harmonieën en flarden van tonen die in elkaar overgaan op een heel soepele manier. Dan enorme dissonanten en contrasten en een spannendheid in de muziek waar je niet goed weet waar het stuk op uitkomt. Het is fascinerend, ik kan het niet goed uitleggen… Misschien één ding dat je erover zou kúnnen zeggen: bij muziek krijg je altijd wel de indruk dat het maar deels door mensenhanden is gemaakt. Dat het een soort transcendentie heeft die je uiteindelijk ook in deze elementaire deeltjesfysica terugvindt. Op andere wijze en toch hetzelfde. Ik ben een experimenteel fysicus. Ik wil vanuit een meetresultaat met getallen en een piek en een interpretatie, en vanuit toch uiteindelijk het zichtbare, het transcendente opzoeken.’


Beeld: (1) Stan Bentvelsen (Maartje Geels). (2) Het binnenste gedeelte van de Atlas pixel detector (CERN).