Fenomenale fysica Inspire article

Dr Maria Ubiali  heeft het over haar werk op de grens tussen theorie en experiment

Vroeger probeerden fysici om de dingen in de natuur die ze waarnamen te verklaren. In de moderne fysica komt de verklaring echter meestal vóór de waarneming. Het fameuze Higgs boson is daarvan een voorbeeld. Fysici dachten dat zoiets zoals dat boson moest bestaan om de theorie over de elementaire deeltjes te doen kloppen. Ze gingen ernaar op zoek en enkele jaren later vonden ze het ^w1.

Wanneer een theorie beschreven wordt met wiskunde is het niet altijd duidelijk welk soort experiment je moet uitvoeren om die te bevestigen of te verwerpen. Dat is het moment waarop fenomenologen hun opwachting maken. Dr Maria Ubiali van de Universiteit van Cambridge, VK, is er één van. Haar werk bestaat er in te zoeken welke waarneembare gevolgen de theorieën over de natuur zouden kunnen hebben. Ze legt zich in het bijzonder toe op het Standaard Model dat de fundamentele deeltjes beschrijft.

“Wat ik echt doe is het maken van theoretische voorspellingen om cijfers te bezorgen aan degenen die experimenteren”, zegt Ubiali. “Ze verifiëren wat ik hen geef om te zien of het Standaard Model correct de natuur beschrijft en of er iets meer is dan dat.”

Wat kunnen we voorspellen?

Een goed voorbeeld van de wisselwerking tussen theorie en experiment is de evolutie van ons begrip van het proton. Wanneer protonen een eeuw geleden werden ontdekt dachten de wetenschappers dat het ondeelbare elementaire deeltjes waren. In de zestiger jaren van de.vorige eeuw realiseerden ze zich evenwel dat de protonen opgebouwd waren uit drie kleinere deeltjes die we nu quarks noemen, samengehouden door andere deeltjes die krachten overbrengen, die we gluonen noemen. Tegenwoordig is het beeld dat we hebben van de protonen nog ingewikkelder geworden. Zoals Ubiali uitlegt: “Het gaat er bepaald levendig aan toe binnen de protonen. Voortdurend worden quarks in paren gecreëerd en geannihileerd  – quarks en antiquarks – samen met gluonen die er van af en op springen.”

Bij hoge energie (wanneer de quark/antiquark paren meer kans maken te voorschijn te komen en weer te verdwijnen), kan je een proton indenken als een zwerm deeltjes: drie quarks en gluonen en een bende  quark/antiquark paren.De structuur van het proton wordt met statistiek beschreven. Zo komen we te weet hoe het moment van het proton verdeeld is over de zwerm.

Machinaal leren

Theoretische voorspellingen over processen in verband met elementaire deeltjes, zoals elektronen of fotonen, kunnen bekomen worden met het Standaard Model door vergelijkingen op te lossen. “Wat interessant is in verband met de structuur van het proton is dat deze niet kan bepaald worden met de grondbeginselen alleen”, zegt Ubiali. Voor de wiskundige beschrijving van protonen, quantumchromodynamica wordt dat genoemd, kunnen de vergelijkingen niet volledig opgelost worden. “Dat is waarom we experimentele gegevens nodig hebben om de structuur af te leiden van het proton uit zijn elementaire bestanddelen”.

Experimenten zoals deze met de “Large Hadron Collider” (LHC) van CERN^w2 leveren een grote hoeveelheid gegevens. Deze gegevens ordenen om te zien wat die ons kunnen leren over de structuur van het proton is een nagenoeg onmogelijke taak. Dit is waarom Ubiali en haar collega’s gebruik maken van computers. In het bijzonder maken ze gebruik van machinaal leren^w3 om patronen te ontdekken in deze grote verzamelingen gegevens, die ze kunnen gebruiken om de wiskundige beschrijving van het proton vollediger te maken.

“Dat is hoe we machinaal leren zodat we veel beter de structuur van het proton kunnen bepalen”, zegt Ubiali. Deze beschrijving gemaakt met gegevens geeft niet alleen de beste voorspelling van de structuur maar ook een grotere nauwkeurigheid. “We hebben een meer realistische schatting van de onzekerheid, van wat we nog altijd niet weten.”

Voorbij het  Standaard Model

“Het succes van het Standaard Model is buitengewoon”, zegt Ubiali. Recent vergelijken van de voorspellingen van het model met  experimentele gegevens toont een nooit eerder bereikte overeenkomst over een groot bereik (van 10^–4 tot 10¹¹ picobarn). De barn is een eenheid van de doorsnede van deeltjes. Het Standard Model kan evenwel de natuur niet totaal beschrijven omdat er nog zoveel mysteries blijven bestaan – zoals waarom neutrino’s massa hebben en de aard van de donkere materie – die het niet kan oplossen.

Ubiali zegt dat een deel van haar werk erin bestond om van het Standaard Model de precisie zoveel mogelijk te vergroten om experimenteel iedere afwijking van de voorspellingen te kunnen waarnemen. Ze werkte ook aan  modellen die verder gingen dan het Standaard Model.

“Als theoreticus ben ik echt geïnteresseerd te zien wat er zich verder dan het Standaard Mode bevindt. Ik ben vooral geïnteresseerd in de paradigmashift die we beleven. Wanneer de  LHC aangezet werd, verwachtten we om enkele spectaculaire afwijkingen te zien van onze voorspellingen, omdat we botsingsenergieën konden bereiken waarbij iets in stukken zou moeten breken. Maar dat gebeurde echter niet.

“Dat zou een reden kunnen zijn voor ontgoocheling of opwinding. Voor mij is het opwinding – het betekent dat de natuur ons enkele subtiele hints zal geven over afwijkingen op het Standaard Model.”.

Dank

Dit artikel  werd oorspronkelijk gepubliceerd in Plus^w4, een gratis online magazine dat de lezer tracht te wijzen op de schoonheid en de praktische bruikbaarheid van de wiskunde.

Download

Download this article as a PDF