Fysica draait om het onderzoeken van de meest fundamentele mysteries in de natuur, dus het is geen verrassing dat natuurkundigen een aantal zeer fundamentele vragen over het universum in hun hoofd hebben. Onlangs vroeg Symmetry Magazine (uitgegeven door twee door de Amerikaanse overheid gefinancierde natuurkundige laboratoria) aan een groep deeltjesfysici om de open vragen in de natuurkunde te noemen waarop zij het liefst een antwoord willen. Hier volgt een greep uit de vragen die zij deelden:

“Wat zal het lot van ons universum zijn?”

De beroemde dichter Robert Frost vroeg of de wereld zou eindigen in vuur of ijs, en natuurkundigen kunnen die vraag nog steeds niet beantwoorden. De toekomst van het heelal – de vraag genoemd door Steve Wimpenny van de Universiteit van Californië, Riverside – hangt voor een groot deel af van donkere energie, die op dit moment een onbekende entiteit is. Donkere energie is verantwoordelijk voor de versnelde uitdijing van het heelal, maar de oorsprong ervan is volkomen mysterieus. Als donkere energie constant is in de tijd, kijken we waarschijnlijk naar een “grote bevriezing” in de toekomst, waarbij het heelal steeds sneller uitdijt, en sterrenstelsels uiteindelijk zo ver van elkaar verwijderd zijn dat de ruimte een uitgestrekte woestenij lijkt. Als de donkere energie toeneemt, zou deze uitdijing nog ernstiger kunnen zijn, zodat niet alleen de ruimte tussen de sterrenstelsels maar ook de ruimte binnen de sterrenstelsels uitdijt en de sterrenstelsels zelf uit elkaar worden gescheurd – een lot dat de “big rip” wordt genoemd. Een andere mogelijkheid is dat de donkere energie zodanig afneemt dat deze de naar binnen trekkende zwaartekracht niet meer kan tegengaan, waardoor het heelal in een “big crunch” in zichzelf terugvalt. Dus welke kant het ook opgaat, we zijn verdoemd. Aan de andere kant, geen van deze eventualiteiten zou moeten gebeuren voor miljarden of triljoenen jaren-veel tijd om te beslissen of we hopen op vuur of ijs.

“Het Higgs boson slaat nergens op. Waarom bestaat het?”

De toon van deze vraag was met een knipoog, zegt de vragensteller, Richard Ruiz van de Universiteit van Pittsburgh, maar het wijst op een zeer reëel gebrek aan begrip over de aard van het deeltje dat vorig jaar beroemd werd ontdekt in de Large Hadron Collider (LHC) in Europa. Het Higgs boson helpt verklaren hoe alle andere deeltjes aan hun massa komen, maar werpt ook veel andere vragen op. Zo is er bijvoorbeeld de vraag waarom het Higgs-boson met elk deeltje op een andere manier interageert – de top quark interageert veel sterker met de Higgs dan het elektron, waardoor de top quark een veel grotere massa heeft dan het elektron. “Dit is het enige voorbeeld van een ‘niet-universele’ kracht in het Standaard Model,” zegt Ruiz. Bovendien is het Higgs boson het eerste fundamentele deeltje dat in de natuur is gevonden met nul spin. “Dit is een geheel nieuwe sector in de deeltjesfysica van het Standaardmodel,” zegt Ruiz. “

“Waarom is het heelal zo prachtig uitgebalanceerd dat er leven kan bestaan?”

Afgaande op de kansen, zouden we hier eigenlijk niet moeten zijn. Sterrenstelsels, sterren, planeten en mensen zijn alleen mogelijk in een heelal dat in zijn begindagen met de juiste snelheid uitdijde. Deze uitdijing werd beheerst door de naar buiten gerichte kracht van donkere energie en de naar binnen gerichte zwaartekracht van de massa van het heelal, die wordt gedomineerd door een onzichtbare soort die donkere materie wordt genoemd. Als deze grootheden anders waren geweest – als de donkere energie bijvoorbeeld maar een klein beetje sterker was geweest na de geboorte van het heelal – zou de ruimte te snel zijn uitgedijd om sterrenstelsels en sterren te vormen. Maar een klein beetje minder donkere energie zou ervoor hebben gezorgd dat het heelal in zichzelf zou zijn ingestort. Dus waarom, vraagt Erik Ramberg van Fermilab in Batavia, Ill., zijn ze zo perfect in balans om het heelal waarin we leven mogelijk te maken? “We kennen geen fundamentele reden waarom dat evenwicht zou moeten bestaan,” zegt Ramberg. “Er bestaat geen twijfel over dat de hoeveelheid donkere energie in het heelal het meest verfijnde getal is in de geschiedenis van de fysica. Waar komen astrofysische neutrino’s vandaan?”

Extreem hoogenergetische neutrino’s zouden het resultaat zijn van de botsingen van snelle geladen deeltjes, kosmische stralen genaamd, met lichtdeeltjes (fotonen) in de achtergrondstraling van de kosmische microgolf die het heelal doordringt. Maar wat dit proces in gang zet, en hoe de kosmische stralen worden versneld, zijn open vragen. Een toonaangevend idee is dat materie die in de hongerige superzware zwarte gaten in de centra van melkwegstelsels valt, aanleiding geeft tot kosmische straling – maar er is nog geen bewijs voor deze hypothese. De resulterende neutrino’s worden verondersteld zo snel te reizen dat elk piepklein deeltje evenveel energie bevat als een honkbal (die miljarden atomen telt). “We kunnen niet eens doorgronden waar deze dingen vandaan komen,” zegt Abigail Vieregg van het Kavli Instituut voor Kosmologische Fysica aan de Universiteit van Chicago, die de vraag stelde. “Als we daar achter komen, kunnen we meer te weten komen over de bronnen die deze deeltjes versnellen tot extreem hoge energieën.”

“Hoe komt het dat het heelal uit materie bestaat en niet uit antimaterie?”

Antimaterie is als materie op tegenovergestelde dag: het heeft dezelfde eigenschappen als het spul waaruit planeten, sterren en sterrenstelsels zijn opgebouwd, maar één vitaal onderdeel is anders – zijn lading. Het heelal begon vermoedelijk met gelijke delen materie en antimaterie, maar op de een of andere manier won de materie, waarbij het grootste deel van beide stoffen elkaar kort na de oerknal vernietigden, zodat er een klein overschot aan materie overbleef. Waarom antimaterie dit touwtrekken verloor, is voor iedereen een raadsel. Wetenschappers zijn druk op zoek naar processen die ladingspariteitschendingen worden genoemd, waarbij deeltjes liever vervallen tot materie en niet tot antimaterie, om het verschil te verklaren. “We zijn vooral geïnteresseerd in de vraag of neutrino oscillaties verschillend zijn tussen neutrino’s en antineutrino’s,” zegt Alysia Marino van de Universiteit van Colorado, die de vraag met Symmetry deelde. “Dit is iets dat tot nu toe nog niet is gezien, maar we hopen dat de volgende generatie experimenten het in meer detail zal bekijken.”