Op deze pagina's is het archief van DW B terug te vinden. Voor de actuele website ga naar: https://www.dwb.be

Vreemde klompjes

Verschenen in: Het lied & De wetten
Auteur: Oliver Morton

 


Vreemde klompjes

 

Vertaald door Kamiel Vanhole

 

 

In de ochtend van 22 oktober 1993, lokale tijd, raakte de bezoeker de top van de atmosfeer boven Ellsworth Land in Antarctica. In een flits doorboorde hij de lucht, honderd keer sneller dan een meteoor, en hij raasde van de ijlste luchtlagen tot in het ijs in een fractie van een seconde. Met eenzelfde gemak sneed hij door de rots eronder en vloog in noordoostelijke richting door de aarde. In minder dan twintig seconden was hij door de Zuid-Atlantische Oceaan heen, diep onder de oceaanbodem. Toen hij onder de zuidelijkste tip van Afrika passeerde, bevond hij zich zowat halfweg tussen Kaapstad en het centrum van de aarde.

       Dit was het diepste punt dat zijn rechte pad door de planeet zou bereiken; van dan af ging het omhoog. Vijftien seconden later, van Kaapstad af zesduizend kilometer de Indische Oceaan in, verliet hij de aardkorst, ergens tussen Sri Lanka en Thailand. Hij schoot door de middaghemel en keerde terug naar de sterren. Het hele bezoek had minder dan een minuut in beslag genomen en niemand zag wat.

       Opmerkelijk is dat een vreemde gast door de aarde kan glijden, als een hete draad door was, en dat niemand wat opmerkt. Maar al was de bezoeker bijzonder snel en vrij zwaar, hij was ook extreem klein: de massa van zowat tien ton samengeperst tot ongeveer de grootte van een rode bloedcel. Als een asteroïde van tien ton op de aarde zou vallen met een snelheid van vierhonderd kilometer per seconde, zouden mensen dat merken; een kleine auto die de onbuigzame aarde met die snelheid raakte, zou zijn kinetische energie omzetten in een explosie met de kracht van een atoomwapen van tweehonderd kiloton. Maar verdicht tot de omvang van een kleine amoebe, zou dezelfde massa nergens veel ophef veroorzaken. De afschrikwekkende stuwkracht van de microscopische bezoeker zou de verbanden tussen de moleculen op zijn pad verbrijzelen en de omstanders opzij duwen. Hij zou dit krachtig genoeg doen om tijdens zijn passage een kleine tunnel te smelten, waarbij de rotsige aarde haast even makkelijk werd doorsneden als lucht en water.

       Als er een menselijk wezen aanwezig was geweest bij zijn entree, zou het gedurende een ondeelbaar ogenblik een lichtflits hebben gezien, en het verlaten van de oceaan moet een soort geluid hebben voortgebracht dat een vis deed schrikken. Maar niemand zag of hoorde wat. Niemand gedurende bijna tien jaar. Pas dan merkten wetenschappers wat de zwakke signalen van de bezoeker geweest konden zijn, in een obscuur archief van seismologische data. Zulke gegevens stapelen zich steeds hoger op, naarmate de aarde meer bekabeld raakt; elke gebeurlijke planetaire grom of beving wordt nu opgenomen en bewaard om bestudeerd te worden door wie er de tijd, de training en de nieuwsgierigheid voor heeft. En in de voorbije jaren heeft een klein team van fysici de deskundigheid opgebouwd om die gegevens na te vlooien op tekens van indringers uit de ruimte. Dit zijn onderzoekers die, toen het grootste fysicaproject dat ooit bedacht werd, werd opgeheven, zichzelf een taak toematen die veel kleiner was qua kosten, maar aantoonbaar groter qua ambitie: op een sluwe manier de hele planeet in een deeltjesdetector veranderen.

 

Vic Teplitz ontmoette Eugene Herrin in 1989. Beiden waren verbonden aan de faculteit van het fysicadepartement van de Southern Methodist University in Dallas. Het waren harde tijden voor een deeltjesfysicus in Texas. Op een uur rijden van de campus zouden de graafwerken worden aangevat voor een zevenentachtig kilometer lange ondergrondse tunnel die de Supergeleidende Super Deeltjesversneller zou huisvesten, de Volgende Grote Stap in de pogingen van de wetenschap om de opmaak van het heelal te begrijpen. De SSD zou naar men hoopte allerlei wonderlijke deeltjes voortbrengen die door fysici van over de hele wereld zouden kunnen worden bestudeerd, zoals bijvoorbeeld het lang gezochte Higgs-boson. ‘Gedurende een paar jaar’, herinnert Teplitz zich, ‘waren we de hoofdstad van de planeet.’

       Jammer genoeg voor Texas werd de financiering voor de bouw van de Supergeleidende Super Deeltjesversneller in 1993 opgeschort en honderden mensen zoals Teplitz vonden plotseling een versnellervormig gat in hun carrière. Eén oplossing was van deeltjesfysica over te schakelen op deeltjesastrofysica. Het heelal zit vol dingen die energie kunnen voortbrengen die veel groter is dan wat de SSD ooit zou hebben kunnen veroorzaken. En er zijn bewijzen dat de ruimte rijkelijk begiftigd is met bizarre partikels die gesmeed werden in de haast onvoorstelbare energieën van de oerknal zelf. Het gedrag van de stukken heelal dat astronomen kunnen zien – het wentelen van de sterrenstelsels bijvoorbeeld – overtuigt hen ervan dat er nog een heleboel dingen zijn die niet kunnen worden waargenomen, onzichtbare overblijfselen van de oerknal die al de zichtbare sterren en sterrenstelsels overtreffen. Sinds het debacle van de Texas-deeltjesversneller zijn de pogingen om die ‘donkere materie’ te identificeren of om ten minste zijn effecten te observeren, een soort booming industrie geworden.

       De meeste donkeremateriekandidaten die de onderzoekers interessant vinden, zijn buitengewoon licht en klein. Maar er zijn uitzonderingen. Eén uitzondering wordt door ‘vreemde materie’ gevormd, een substantie die nog dichter is dan atoomkernen. Normale kernen van atomen bestaan uit deeltjes die op-quarks en neer-quarks worden genoemd – twee op en één neer vormen een proton, twee neer en één op vormen een neutron. De zwaardere quarks die in versnellers worden gemaakt – de vreemde quark, de betoverde quark, de onderste quark, de bovenste quark – zijn normaal gesproken onstabiel. Maar het is mogelijk onder bepaalde omstandigheden vreemde quarks te stabiliseren, als ze vermengd worden met alledaagse op- en neer-quarks. Terwijl grote atoomkernen onstabiel zijn, kunnen hompen vreemde materie van bijna elke grootte prima samenklitten. Een stuk vreemde materie kan even zwaar zijn als een ster en toch niet uiteenvallen.

       Wat zou het dus voor de aarde betekenen als de donkere materie die volgens astronomen ons sterrenstelsel omringt, zou zijn samengesteld uit vreemde materie? Vreemde klompjes met een miljard keer méér massa dan een normaal atoom, zouden op de aarde vallen en daar gewoon liggen, chemisch inert en moeilijk te vinden. Grotere klompjes zouden in het binnenste van de planeet doordringen voor ze stopten. En klompjes die meer dan een tiende van een gram wogen, zouden er helemaal doorheen vliegen. Een grote klomp die aan een hoge snelheid zijn weg baande door de aarde, zou misschien gedetecteerd kunnen worden door seismologen.

       Na het schrappen van de SSD besloten Herrin en Teplitz dit idee uit te werken, niet in de laatste plaats omdat de Southern Methodist University over een paar uitstekende seismologen beschikte. In de veronderstelling dat de seismische signalen die door vreemde klompjes werden afgegeven, opgespoord konden worden met de huidige technologie, besloten ze een geschikte reeks gegevens na te pluizen: een stapel van tien grote reel-to-reel banden uit de US Geological Survey, die meer dan negen miljoen seismische gebeurtenissen bevatte, die tussen 1981 en 1993 gerapporteerd waren door observatiestations over de hele wereld. Traag en met de hulp van David Anderson, een computerexpert van de SMU, en Ileana Tibuleac van Weston Geophysical in Boston, begonnen de wetenschappers hun weg te graven door de gegevens. Dit was geen glamoureus werk; er werden geen atomen verpletterd, de diepe ruimte werd niet gepeild. Het was omgaan met stoffige gegevens, verzameld in kleine kamers op verafgelegen plekken door mensen die kathodestralen over hun scherm zagen wriemelen of inktsporen zagen kronkelen over rollen papier. Als je al die informatie echter samenbracht, werd de aarde een klankbord: veel groter en veel minder precies dan de verfijnde machines die de passage van partikels registreren die worden voortgebracht door machines als de SSD.

       De rapporten die door het team werden bestudeerd, betroffen ‘onverenigbare gebeurtenissen’, vibraties die de seismometers voldoende aan het trillen hadden gebracht opdat de menselijke opzichters er nota van namen, zonder dat ze vervolgens konden worden toegeschreven aan een specifieke aardbeving met een gekend epicentrum. Voor elk jaar waren er ongeveer een kwart miljoen van zulke rapporten. Daar ziftte het SMU-team alle rapporten uit van gebeurtenissen die plaatsvonden binnen het uur van een beving waarvoor een epicentrum berekend was door de US Geological Survey. Voor 1993 bleven er dan nog 152.272 rapporten over. Vervolgens haalden ze de rapporten eruit van de gevoeligste ‘Klasse 1’-aardbevingsstations. ‘Er zijn vijfduizend stations in verschillende stadia van ontwikkeling en het zou onmogelijk zijn geweest die allemaal te bekijken’, zegt Herrin. ‘Dus kozen we de gevoeligste en zij die op de meest consistente manier bijdroegen tot het geologisch overzicht.’ Bleven nog 38.866 rapporten over. Daarna zochten ze naar zeven of meer rapporten die zich binnen dezelfde twintig minuten afspeelden; met minder dan zeven metingen zou het onmogelijk zijn geweest het traject van de bron te berekenen. Zodra de gegevens uitgezift waren, zetten ze er een algoritme op om te zien of een rechtlijnige bron – die in een rechte lijn door de aarde bewoog – de zeven signalen kon verklaren.

       Aardbevingen, het voedsel van seismologen, blijken hun energie los te laten vanuit één enkel punt in de aardkorst; ook nucleaire ontploffingen doen dat, dat is de specialiteit van Herrin. Als gevolg daarvan beschikken seismologen over een heleboel algoritmes om bevingen in een wijd gebied terug te voeren tot het punt dat de bron ervan vormt. Maar wetenschappers hadden nog nooit een algoritme ontwikkeld dat rechtlijnige bronnen kon vinden, om de eenvoudige reden dat ze zich niet voorstelden dat die bestonden.

       De eerste lineaire bron die door het algoritme werd gevonden was de gebeurtenis van 22 oktober 1993. Tussen 09:58:52 Universele Tijd – toen een signaal werd opgevangen in Gauribidanur in India – en 10:06:30 – toen een signaal wegstierf in La Paz in Bolivia – waren er rapporten uit twee meetstations in Australië, één in Turkije en twee andere in Bolivia. Voor zes van de zeven rapporten was de aankomsttijd van het signaal binnen de seconde van wat voorspeld was voor een lineaire bron die in Antarctica begon en onder de zuidelijke tip van Afrika passeerde, op weg naar de noordoostelijke Indische Oceaan. De twee Australische stations hadden de middelen om de richting van de bron te berekenen; ze bewezen dat de signalen afkomstig waren uit dat deel van de hypothetische koers dat het dichtst bij Australië lag, net zoals het team had voorspeld. Toen Herrin en Teplitz naar de meetstations in Afrika en Nieuw-Zeeland keken, waarvan verwacht mocht worden dat ze iets zouden hebben opgevangen van de hypothetische lineaire bron, zagen ze niets, maar het geluidsniveau in die stations was zo hoog dat ze ook niet verwacht hadden iets te zullen zien. Toen ze probeerden na te gaan of er een model bestond voor éénpuntsbronnen, waaruit de gegevens verklaard zouden kunnen worden, konden de algoritmes niets vinden.

 

Zo de cluster van 22 oktober al goed was, bleek de cluster van een maand later nog beter. Op 24 november liet het algoritme een reeks van negen rapporten zien uit Australië en Zuid-Amerika tussen 10:26 en 10:29 Universele Tijd.

       Een lineaire bron die ten zuiden van Frans-Polynesië begon en twintig seconden later eindigde in de Ross Zee van Antarctica, niet ver van het McMurdo Station, kon alle signalen verklaren tot binnen minder dan een halve seconde, wat een veel beter resultaat was dan je zou krijgen voor de meeste doorsnee-aardbevingen.

       De timing van de signalen was niet het enige wat opviel; ook hun vorm was eigenaardig. ‘De golfpatronen voor de twee gebeurtenissen zijn uiterst ongewoon’, zegt Herrin. ‘Ze zijn uitgerekt. Energie blijft toestromen gedurende een belangrijke tijd vergeleken met wat je ziet bij kleine aardbevingen, die gewoonlijk een kleine, scherpe energiestoot opleveren.’ De Australische signalen liepen gedurende dertig seconden binnen, het La Paz-signaal nog iets langer. Geen enkel model voor éénpuntsbronnen kon dit verklaren.

       Nog beter was het nieuws dat de Australische signalen na enkele seconden een plotselinge terugval in amplitude vertoonden. Die terugval stemt overeen met de tijd waarop het klompje de aarde zou hebben verlaten; de zwakkere signalen werden opgevangen nadat het klompje zich een weg door de Stille Oceaan had gebaand, in zijn kielzog als het ware, net zoals het geluid van een supersonische jet pas aankomt nadat het vliegtuig gepasseerd is. ‘We denken dat die plotselinge terugval kenmerkend is’, zegt Herrin.

 

De resultaten van het Texas-team staan sinds de zomer van 2002 op het net en de reacties zijn zeer leerzaam. Seismologen die de analyse onder ogen krijgen, vinden ze intrigerend en willen meer weten. Het feit dat Herrin gerespecteerd wordt als een ‘redelijk voorzichtig man’, zoals de directeur van het Internationale Seismologische Centrum in Zuid-Engeland Ray Willemann het uitdrukt, draagt er ongetwijfeld toe bij dat zijn werk au sérieux wordt genomen.

       Maar waar degenen die beroepshalve naar de aarde luisteren geïntrigeerd zijn, reageren de kosmologen en de deeltjesfysici die over donkere materie nadenken, terughoudender.

       Een deel van het probleem is dat ze eigenlijk niet willen dat hun donkere materie uit vreemde klompjes zou bestaan. Deeltjesfysici zijn geïnteresseerd in donkere materie omdat ze uit deeltjes zou kunnen bestaan waarvoor ze nog niet voldoende geld hebben ontvangen om die in hun laboratoria aan te maken. Als de donkere materie uit vervelende oude quarks zou bestaan, is dat minder opwindend (en veel minder geschikt om nieuwe fondsen los te weken). Om bovendien de kracht van de gegevens van het team van Herrin te appreciëren, moet je nadenken over verschillende aspecten van de geofysica,  iets waartoe kosmologen en deeltjesfysici – de sterren en aristocraten van de discipline – zich zelden verlagen. De algemene respons van de deeltjesmensen en de kosmosbende is een vrijblijvend gegrom van ‘kom later nog ’s terug als jullie wat meer gegevens hebben’.

       Dit zou gedeeltelijk kunnen verklaren waarom het tijdschrift Nature het artikel weigerde dat Herrin en zijn collega’s over hun onderwerp aanboden. Het werd dan weer wel opgenomen in het minder gezaghebbende Bulletin of the Seismological Society of America. Ondertussen heeft nauwkeurig onderzoek door andere seismologen bepaalde gegevens aan het licht gebracht die het hele verhaal compliceren: verslagen van het Internationale Seismologische Centrum tonen een kleine aardbeving in de Indische Oceaan ongeveer vijf minuten vóór de eerste gebeurtenissen van de Texas-groep. Dit hoeft niet te betekenen dat het rechtlijnige spoor van het team een verzinsel is, maar het maakt de omschrijving van het bezoekende klompje wat moeilijker vast te pinnen. De gebeurtenis van november 1993 blijft evenwel overeind.

       Het grootste probleem van het team wordt echter niet gevormd door de onverschilligheid van de astrofysici of de publicatiemoeilijkheden. Het gaat erom dat ze een resultaat hebben dat niet kan worden overgedaan. Seismologen mogen dan zonder het te willen de aarde veranderd hebben in een reusachtige vreemdeklompjesdetector, ze hebben de dingen echter nog niet zo aaneengeschakeld dat de detector makkelijk te lezen valt. De gegevensbank met ongelinkte gebeurtenissen die door het Texas-team werd gebruikt, stopt eind 1993. Rond die tijd schakelden de meeste goede aardbevingsstations over op het gedigitaliseerde opslaan van gegevens, wat het makkelijker maakt om die ononderbroken stroom van gegevens te archiveren dan de rapporten die werden opgesteld als de gegevens binnenkwamen. Het is wellicht zinniger om ruwe gegevens op te slaan in plaats van de voorbereidende analyse van de betekenis van die gegevens. Maar voor mensen die op zoek gaan naar vreemde gebeurtenissen, vormde het oude systeem waarbij op voorhand werd geselecteerd, een handige filter. Zonder het dossier met ongelinkte gebeurtenissen als basis zouden de wetenschappers afschrikwekkende gegevensbanken moeten uitpluizen, seismometer na seismometer, op zoek naar lange, uitgesponnen, afwijkende waarden. Vervolgens zouden ze alle bevindingen onderling in verband moeten brengen en ten slotte op zoek gaan naar lineaire bronnen.

       De ideale oplossing zou zijn de gegevensbanken op te geven en naar rapporten in real time te kijken. Van bijzonder belang voor Herrin en Teplitz zijn de gegevens van het International Monitoring System dat werd opgezet om het Uitgebreide Verdrag over de Ban op Atoomtests te verifiëren. Als het klaar is, zal het IMS een werkelijk superbe manier zijn om van de aarde een monitor te maken. Z’n vijftig primaire seismologische stations, ondersteund door de bestaande reeks over de hele wereld, zouden in staat moeten zijn om elke nucleaire test tot één kiloton te ontdekken. Men verwacht zelfs dat het systeem nóg gevoeliger zal worden. Met die graad van gevoeligheid en zijn wereldwijde bereik zou het IMS een handig instrument zijn voor een planetaire vreemdeklompjesdetector.

       Daarbovenop beschikt het IMS over nog andere componenten die van pas kunnen komen. Het bevat een infrageluidssysteem dat atmosferische geluiden op langegolflengtes kan oppikken, en een hydrofoon systeem om naar de oceanen te luisteren. Beide zijn supergevoelig. De infrageluidsinstrumenten laten toe dat wetenschappers in Nederland de erupties van de Etna kunnen volgen en dat onderzoekers in Los Alamos meteorietvuurballen boven de Stille Oceaan detecteren. De hydrofonen kunnen geluiden van duizenden kilometers verderop ontvangen; onderzoekers houden het voor mogelijk om tellingen van walvisachtigen te verrichten door naar het geheel van de walvisgezangen van de oceaan te luisteren. Elk van beide systemen zou in principe in staat moeten zijn om het specifieke geluid te detecteren van een klompje dat zich door de aarde boort.

       Dat geluid – wat het ook moge zijn – zou krachtig bewijsmateriaal vormen voor de klompjeshypothese. Het enige wat het team heeft bewezen, stipt Teplitz aan, is dat er lineaire gebeurtenissen plaatsvinden in de aarde. Een spoor van iets wat erdoorheen schiet, zou een flink bewijs vormen dat de oorzaak ervan uit de kosmos komt.

       Helaas is het alsnog onmogelijk om in real time de gegevens van het groeiende International Monitoring System te bekijken. Terwijl de Verenigde Staten die een flink deel van het IMS financieren, graag alle gegevens in bijna-real time zouden willen vrijgeven, zijn andere ondertekenaars van het Verdrag over de Ban op Atoomtests, zoals met name China, erop gebrand om de gegevens confidentieel te houden. Volgens Oliver Meier, een verificatie-expert verbonden aan de in Londen gevestigde Vertic-organisatie, is het verdrag zelf niet duidelijk op dat punt. Bovendien wordt de positie van de VS ondermijnd door het feit dat ze op dit ogenblik gekant zijn tegen het verdrag.

       ‘We gaan na welke computercapaciteit vereist is voor de verschillende onderzoeken,’ zegt Herrin, ‘maar we gaan ongetwijfeld verder met ons onderzoek.’ Hij is vooral geïnteresseerd in de mogelijkheid dat sommige lineaire gebeurtenissen oorspronkelijk geboekstaafd zouden kunnen zijn met een aardbeving als uitgangspunt. ‘Onze veronderstelling dat alle gebeurtenissen vanuit één punt vertrekken, beheerst alle algoritmes. Maar als ook maar één van deze gebeurtenissen aanvaard wordt als lineair, dan zal de hele seismologische wetenschap daar rekening mee moeten houden.’ Daarnaast zijn Teplitz en hij aan het onderzoeken welke hoeveelheid energie die de klompjes afgeven, omgezet wordt in seismische signalen; Herrin denkt dat die proportioneel groter is dan die van een atoomontploffing, die heel veel energie verspilt aan het verbrijzelen van stenen in de buurt, en dus dat de traceerbare klompjes misschien wel lichter zijn dan eerst werd gedacht, een ton, zeg maar, in plaats van tien ton.

 

Maar of het nu één ton is of tien, de klompjes zouden nog altijd te groot zijn om deeltjesfysici te kunnen interesseren, die veel meer begaan zijn met de eigenschappen van elementaire deeltjes die ze nog niet geobserveerd hebben dan met grote klonters van deeltjes die ze al kennen. En dat is net wat Teplitz ervan denkt. Op de vraag of vreemde klompjes een redelijk vervangmiddel kunnen zijn voor wat met de SSD verwezenlijkt had kunnen worden, antwoordde hij: ‘In de ontdekking van het Higgs-boson zou ik een kleine rol gespeeld hebben; in onze zoektocht naar vreemde klompjes in seismische rapporten staat onze ploeg alleen.’ Afgezien van zijn omschakeling, beseft Teplitz duidelijk dat het Higgs-boson en konsoorten op een andere manier belangrijk zijn. Ze onthullen ons hoe het heelal werkt, in plaats van iets toe te voegen aan de lijst van zijn wonderen.

       Maar ook al zijn ze niet elementair, quarkklompjes die door ons sterrenstelsel scheuren, zouden een verbazingwekkende verrijking kunnen vormen. En nóg wonderlijker dan een paar technisch vreemde – of gewoon bizarre – deeltjes die zich een weg door de aarde boren, zou het feit zijn dat onze planeet niet langer een stuk domme rots is dat zich op hun weg bevindt. Het is een steeds beter bekabelde planeet, die op steeds meer ingenieuze manieren gecontroleerd en overdacht wordt. Het is een datasfeer die steeds gevoeliger wordt voor zijn omgeving en voor zijn eigen processen, van flitsen in de hoogste atmosfeer tot gerommel in de kern. We hebben er een planeet van gemaakt die dingen opmerkt. We hebben er een alerte aarde van gemaakt.

 

 

Uit: The Best American Science Writing 2004, HarperCollins Publishers, 2004.