Mysterie van de dag: waarom hebben elementaire deeltjes een massa?

Hoe komt het dat de elementaire bouwstenen van ons heelal een massa hebben en waar komt die massa dan vandaan? Tot zo’n 50 jaar geleden was die vraag een groot mysterie. Tot de ontdekking van onder andere de Belgische Nobelprijswinnaar François Englert. Natuurkundige Seth Moortgat verheldert.

Met het concept van massa zijn we maar al te goed vertrouwd. Zo kunnen we bijvoorbeeld bij de slager 600 g gehakt bestellen, merken we op dat de lift slechts 320 kg kan dragen of pronken we ermee dat onze pasgeboren spruit een flinke 3,645 kg weegt.

We weten ook dat wanneer iets een massa heeft, de zwaartekracht er op inwerkt. Die houdt inderdaad de aarde in een baan rond de zon of zorgt voor een pijnlijke val van een onstabiele ladder. Maar zeker niet alles in de natuur heeft een massa. Zo moeten we vaststellen dat bijvoorbeeld licht, dat bestaat uit deeltjes die we fotonen noemen, helemaal geen massa heeft. Het is net die eigenschap die ervoor zorgt dat licht zich kan voortbewegen aan de snelheid van het licht.

Dat klinkt logisch door de keuze van die benaming, maar die snelheid is een absolute bovenlimiet ten opzichte van de snelheid die eender welke materie kan bereiken. Massaloze deeltjes bewegen altijd aan die snelheid, maar massieve deeltjes kunnen die snelheid nooit bereiken.

Als alle materie massaloos was, zouden wij dus niet bestaan en zou het universum er heel anders, en wellicht veel saaier uitzien. Waar komt die massa dan vandaan, en hoe komt het dat bepaalde materie een massa heeft terwijl andere deeltjes, zoals die van het licht, volledig massaloos door de ruimte bewegen?

Eenvoud van de natuur

Er zijn slechts drie elementaire bouwstenen nodig om zo goed als alle gekende materie rondom ons op te bouwen.

In de deeltjesfysica bestuderen we wat de elementaire bouwstenen zijn van het heelal. Beschouw ze gerust als de legoblokken waar alle materie (en straling) rondom ons is uit opgebouwd. De eenvoud van de natuur schuilt erin dat je slechts drie elementaire bouwstenen nodig hebt om zo goed als alle gekende materie rondom ons op te bouwen.

Met zogenaamde up quarks, down quarks en elektronen bouw je alle atomen uit de tabel van Mendeljev. Elementaire deeltjes zijn dus de kleinste bouwstenen die zelf geen verdere substructuur bevatten, en we kennen er momenteel een handvol. Lichtdeeltjes (fotonen) maken daar deel van uit en hebben zoals reeds vermeld geen massa.

Maar andere elementaire deeltjes, zoals bijvoorbeeld het elektron dat voor onze elektriciteit zorgt, hebben wel degelijk een massa, en dat was een dikke 50 jaar geleden een groot mysterie. Het was de Belgische Nobelprijswinnaar François Englert die samen met Robert Brout en Peter Higgs in 1964 voor het eerst een theorie voorstelde die het mogelijk maakte om massa te geven aan de elementaire deeltjes. Zij beschreven de oorsprong van de massa als een veld dat zich over de hele ruimte uitstrekt en waarmee elementaire deeltjes kunnen interageren. Vergelijk het met het aardmagnetische veld dat geladen deeltjes in de atmosfeer afbuigt en zo aanleiding geeft tot prachtige fenomenen zoals het poollicht.

Theorie van het Higgsmechanisme

De wiskundige theorie die Englert, Brout en Higgs neerschreven is erg elegant, maar uiteraard enigszins abstract. Het is daarom niet slecht om de oorsprong van de massa van de materie op een visuele manier voor te stellen. Elementaire deeltjes kunnen interageren met het zogenaamde Higgsveld dat overal aanwezig is. Hoe sterker ze daarmee interageren (stel het gerust voor alsof ze er meer ‘weerstand’ van ondervinden), hoe groter de massa van die deeltjes. Sommige deeltjes ondervinden helemaal geen hinder van dat veld, en die deeltjes zijn als het ware massaloos.

Vind je het moeilijk om te geloven dat zo een veld echt bestaat? In 2012 werd in het Europees laboratorium voor elementaire deeltjesfysica (CERN) op de Frans-Zwitserse grens een nieuw elementair deeltje ontdekt dat de naam van het Higgsdeeltje kreeg. Dit elementaire deeltje kan ontstaan wanneer men lokaal voldoende energie kan creëren waardoor het Higgsveld in een geëxciteerde energietoestand komt. Vergelijk het principe met de gasbelletjes die initieel onderaan in je kookpot ontstaan als je water wilt laten koken. Om lokaal voldoende energie te creëren, maken we gebruik van krachtige deeltjesversnellers (zoals de Large Hadron Collider), waar men protonen (waterstofkernen) op elkaar laat botsen met snelheden van ongeveer 99,999999 procent van de snelheid van het licht.

De observatie van het Higgsdeeltje in deze hoogenergetische botsingen was dus het onbetwistbare bewijs dat het Higgsveld inderdaad aan de oorsprong ligt van de massa van de materie. Er wordt tot op heden nog erg actief onderzoek verricht naar de eigenschappen van dat Higgsdeeltje om te zien of het zich echt gedraagt zoals Englert, Brout en Higgs dat in de jaren 60 hadden voorspeld.

Nu is het belangrijk om te beseffen dat dit slechts een verklaring geeft voor de massa van elementaire deeltjes. Wanneer je zelf op de weegschaal gaat staan is je totale gewicht lang niet de som van de massa van alle elementaire deeltjes in je lichaam. Dat komt omdat er heel wat energie nodig is om al die bouwstenen in je lichaam bij elkaar te houden. De elementaire quarks worden inderdaad door sterke kernkrachten bij elkaar gehouden om zo atoomkernen te vormen. Atomen vormen op hun beurt verbindingen om zo verschillende soorten moleculen te creëren. Die moleculen vormen dan weer cellen die deel uitmaken van je organen en dus van jouw hele lichaam. Die bindingsenergie die ervoor zorgt dat jij één geheel vormt, draagt voor het grootste deel bij tot jouw totale massa.

Je vraagt jezelf wellicht (terecht) af hoe energie kan bijdragen tot je massa? Dat is een rechtstreeks gevolg van de formule waar Albert Einstein bekend om staat: E=mc². Energie (E) en massa (m) zijn twee gelijkwaardige begrippen die je in elkaar kan omzetten. Massa is dus een vorm van energie.

Na de feestdagen kan je stellen dat je vooral heel veel energie hebt bijgewonnen.