Dr. James Beacham (CERN): grote ontdekkingen liggen achter de energy frontier

CERN-wetenschapper Dr. James Beacham bewijst dat in ieder nieuwsgierig mens een deeltjeswetenschapper schuilt. Tijdens de Developers Summit 2020, op 13 februari in Utrecht, vertelt hij over zijn werk als experimenteel deeltjeswetenschapper in het Atlas-team. Dit team werkt met de Large Hadron Collider bij Genève.

dev De Large Hadron Collider (LHC) is 's werelds grootste wetenschappelijke experimentele opstelling ooit. Hij bestaat uit een 27 kilometer lange tunnel die honderd meter onder de grond ligt, op de grens van Frankrijk en Zwitserland. Supergeleidende magneten, afgekoeld tot een temperatuur lager dan in de kosmische ruimte (1,9 kelvin, oftewel min 271 graden Celsius) laten hier deeltjes op elkaar botsen met bijna de snelheid van het licht, miljoenen keren per seconde.

Als dit het menselijke voorstellingsvermogen nog niet tart, dan geldt dat wel voor de gevolgen van deze botsingen in de deeltjesversneller, die uitgebreid worden geanalyseerd met zo'n 150 miljoen sensoren. Anders dan bij een botsing tussen twee auto's in het verkeer, die normaliter vooral resulteert in rondvliegend schroot, treden bij de botsing tussen twee protonen de wetten van de kwantummechanica in werking.

Een wonderlijke explosie van deeltjes

"Stel je een situatie voor waarbij de auto's op elkaar klappen en plotseling verdwijnen, waarna een fiets verschijnt die uiteenspat in twee skateboards", vertelt Dr. James Beacham, lid van het Atlas-team dat in 2012 betrokken was bij de ontdekking van het higgsdeeltje. Duizenden wetenschappers zijn wereldwijd betrokken bij het project, dat plaatsvindt in en rondom een gigantische (zes verdiepingen hoge) deeltjesdetector bij CERN.

Het op hoge snelheid uitvoeren van experimenten is noodzakelijk, stelt de Amerikaanse wetenschapper. De ‘energy frontier’, gemeten in eenheden elektronvolts (eV), zal in de komende jaren verder verschuiven door deeltjes te laten botsen met meer kinetische energie. "De grootste ontdekkingen die we kunnen doen om de belangrijkste open vragen te beantwoorden, liggen voorbij de 'energy frontier'. Waaruit bestaat donkere materie? Wat gebeurde er een fractie van een seconde na de oerknal? Is het bestaan van parallelle werelden aan te tonen? En is tijdreizen mogelijk?"

Op zoek naar de basisregels van ons bestaan

"Ik koos ooit voor films als manier om complexe ideeën te onderzoeken.''

De experimenten bij CERN laten zich lezen als een spannend boek voor wetenschappers. En zo voelt dat ook voor Beacham, die zelf trouwens een verrassende achtergrond als filmmaker heeft, deelneemt aan kunstprojecten en een veelgevraagd spreker is op evenementen als TED en SXSW. "Ik koos ooit voor films als manier om complexe ideeën te onderzoeken. Deeltjeswetenschap? Daar kies je niet voor, dat kiest voor jou. Het is dat irritante jochie dat altijd wil weten hoe dingen werken en nooit genoegen neemt met de antwoorden."

In zijn zoektocht is Beacham uitgekomen bij de kleinste dingen in het universum en hoe zij op elkaar reageren. "Kleiner dan atomen en nuclei. Ik wil de basisregels kennen van hoe alles werkt. Ik ben een fulltime onderzoeker, maar mijn hobby heeft een eigen leven gekregen. Als filmmaker en spreker zie ik het als een plicht om de verbinding te zoeken met mensen die nooit de kans hebben gekregen een PhD in natuurkunde te halen. Als wetenschappers stellen wij de vragen die iedereen stelt: waar komen we vandaan en waar gaan we naartoe? Mijn research is ook jouw research."

De code achter Atlas

Als onderdeel van deze persoonlijke missie spreekt de Atlas-wetenschapper op donderdag 13 februari op de Developers Summit. Wat heeft Beacham zelf eigenlijk met coderen? "Als deeltjeswetenschapper ben je een beetje als een Zwitsers zakmes. Programmeren hoort ook bij ons werk. Maar de code die we schrijven, zal weinig indruk maken op professionele developers. Het is allemaal wat ouderwets, maar dat komt niet voort uit conservatisme. We werken met grote hoeveelheden gestructureerde data, wat minder interessant is vanuit het oogpunt van bijvoorbeeld deep learning en andere AI-technieken."

Wanneer in 2024 de volumeknop van de LHC verder wordt opengedraaid en de frequentie van het aantal botsingen toeneemt, zal dit vele malen meer data opleveren om te analyseren. Nu al werkt Atlas met de grootste unieke datasets ter wereld, honderden petabytes groot: een rechtstreeks resultaat van honderd miljoen detectiepunten die snapshots maken van deeltjesbotsingen met een frequentie van 40MHz. "Wist je dat we 99,9 procent van onze data weggooien en nooit analyseren? Maar een klein deel vinden we interessant genoeg om te onderzoeken op anomaliteiten", zegt Beacham. Hij verwacht dat Atlas na 2024 wél deep learning zal toepassen, wanneer de frequentie van de LHC wordt opgehoogd. Daardoor zal de hoeveelheid verzamelde data namelijk exponentieel toenemen.

Nieuwe oplossingen voor nieuwe problemen

Op filosofisch vlak voelt Beacham verwantschap met developers. "We zijn probleemoplossers. Wij zoeken naar beschikbare tools om onze problemen op te lossen. Als ze niet bestaan, vinden we ze uit. In ons geval is dat een LHC met supergeleidende magneten die kouder zijn dan outer space. Dat is hoe wij werken. Mijn coderende vrienden kijken ook zo naar de wereld. Bij een nieuw codeerprobleem komen zij niet met een bestaande Python-functie, maar met een nieuwe manier om hem op te lossen."

"Weet je wat zo fascinerend is?", vervolgt Beacham. "Wij mensen hebben miljarden deeltjes genaamd donkere materie in ons lichaam. Maar we hebben geen idee wat dit eigenlijk is. Dat betekent dat ons lichaam een slechte 'dark matter-detector' is, omdat we er niks van merken. Er is geen interactie met de voor ons bekende natuurkrachten, zoals zwaartekracht en elektromagnetisme, maar misschien wel met andere krachten waar wij nog geen weet van hebben."

De 'energy frontier' verschuift

''Het universum geeft ons aanwijzingen en om ze te vinden, kijken we terug in de tijd”

Een LHC is nodig om vragen hierover te beantwoorden. De antwoorden zijn te vinden aan de hand van de beroemde, door Einstein geformuleerde, massa-energierelatie E=mc². Hierin staat E voor energie en m voor massa.
De relatie ertussen wordt gegeven door het verhoudingsgetal c in het kwadraat, waarbij c voor de lichtsnelheid staat. "We hebben invloed op het E-gedeelte, en dat is precies waarom we deeltjes op elkaar laten botsen met een hoge snelheid. Dit is onze 'energy frontier' die we steeds verder brengen." De 'energy frontier' is interessant omdat het universum uitbreidt. "Wanneer we de klok terugdraaien en een beginpunt berekenen met een hoge soortelijke massa en de hoogste hoeveelheid energie ooit, reproduceren we in feite de situatie van vlak na de oerknal. Op dat moment waren er enorme hoeveelheden van bepaalde deeltjes die vrij snel daarna verdwenen omdat ze niet meer nodig waren. Het universum geeft ons aanwijzingen. Om ze te vinden, kijken we terug in de tijd.”

Wetenschap overstijgt religie

Wat vindt Beacham eigenlijk van de berichtgeving in de populaire media over de wetenschap? "De ontdekking van het higgsboson in 2012 was lastig uit te leggen, en in dat licht gezien was de berichtgeving nog best oké. Hetzelfde gold voor de ontdekking van zwaartekrachtgolven in 2015. Wel zijn sommige misverstanden lastig uit te bannen, wat vooral te maken heeft met de nomenclatuur. Een wetenschapper zal bijvoorbeeld het higgsboson nooit 'The God Particle' noemen. Religie heeft niks te maken met deeltjeswetenschap. Het gebruikt een menselijk kader dat volledig wordt overstegen door het higgsboson. Zelfs wanneer de aarde allang is verslonden door de zon, zal het er nog steeds zijn."

“Als je de grote vragen nooit stelt, weet je ook nooit welke antwoorden je krijgt”Een van de meest prikkelende theorieën in de wetenschap is dat ons universum er maar één is van een oneindig aantal parallelle werelden. Dit moeten wij zeker niet afdoen als sciencefiction, vindt Beacham. "Het klinkt als een Asimov-roman, maar het idee is absoluut wetenschappelijk. Als je bij veel wiskundige problemen de keten van de logica volgt, valt op dat ze in principe oplosbaar zijn als we dit idee hanteren. Alleen is er op dit moment geen enkele manier om het te bewijzen." Moet de wetenschap zich hierdoor dan laten tegenhouden? Er klinkt een resoluut ‘nee’. "En dat is direct het advies dat ik aan iedereen zou willen geven. Wees nooit bang om de grote vragen te stellen. Want als je dit niet doet, weet je ook nooit welke antwoorden je krijgt."

Ben jij ook niet bang om de grote vragen te stellen, en wil je de talk van Dr. James Beacham tijdens de Developers Summit 2020 bijwonen? Klik dan hieronder voor meer informatie over tickets, en bekijk het programma van het event, dat op 13 februari in DeFabrique in Utrecht plaatsvindt.