Hoe NRC uitrekende wie stikstofpiekbelasters zijn

Hoe bewijs je het bestaan van onmeetbare deeltjes? „Door niet de deeltjes zelf te detecteren, maar hun invloed op grotere systemen, in dit geval: zwarte gaten”, zegt Giovanni Maria Tomaselli (27). Afgelopen maand promoveerde hij aan de Universiteit van Amsterdam. Tomaselli’s onderzoeksveld ligt aan de grens van de bekende natuurkunde. „Het ‘standaardmodel’ van de natuurkunde is niet compleet, verschillende theorieën wijzen op het bestaan van nog niet bewezen deeltjes.” De interactie hiervan met de deeltjes waaruit wij bestaan, zegt hij, is zo zwak dat we ze moeilijk kunnen detecteren.

Over het mogelijke bestaan van een van die deeltjes, het axion, ging Tomaselli’s onderzoek. Deze deeltjes vallen buiten het standaardmodel en bevatten nauwelijks massa. Hij beschrijft hoe het bestaan van axionen te bewijzen is aan de hand van hun meetbare invloed op zwarte gaten, volgens Tomaselli de „meest krankzinnige hemellichamen die je kan hebben”.

Als kind verslond Tomaselli al natuurkunde-encyclopedieën en had hij een voorliefde voor wiskunde. „Om natuurkunde te studeren moet je een wiskundeknobbel hebben”, vertelt hij. „Fascinatie is niet genoeg. Natuurkundige onderwerpen zijn voor veel mensen interessant, maar de meesten zijn niet bereid om in de wiskunde te duiken.”

Het gedrag van zwarte gaten

Tomaselli groeide op in het Zuid-Italiaanse Benevento en studeerde aan de Scuola Normale Superiore in Pisa. Hoewel hij zich in Italië „erg thuis voelt”, koos hij voor een PhD in Amsterdam na een discussie met een Amsterdamse professor. Onderwerp: zwarte gaten. Voor deze „crazy” hemellichamen heeft Tomaselli een speciale interesse. Maar wat zijn zwarte gaten eigenlijk?

„Hemellichamen zoals de zon en de aarde bestaan uit een bepaalde dichtheid van massa. Hoe hoger de dichtheid, hoe groter de zwaartekracht. Zonder weerstand van andere krachten, zoals de kernfusie in de zon, zouden deze massa’s samengedrukt worden tot hun kleinst mogelijke vorm: dat is een zwart gat.” Zwarte gaten hoeven dus niet zo groot als planeten te zijn, zoals te zien in sciencefictionfilms als Interstellar. Ze kunnen ook de grootte van een stad hebben. Tomaselli: „Wanneer massa condenseert tot een zwart gat, vervormt dit de ruimte-tijd zodanig dat er binnen deze diameter niets uit ontsnapt, zelfs licht niet. In de kern hiervan gelden de bekende natuurwetten niet, alles gedraagt zich anders, dit wordt een singulariteit genoemd.”

Maar buiten die kern gedragen zwarte gaten zich wél volgens de bekende natuurkunde en hun effect is daardoor voorspelbaar. Tomaselli gebruikt dit om het bestaan van het axion te voorspellen. „Als dit deeltje bestaat”, verklaart hij, „dan heeft het een voorspelbare invloed op het gedrag van zwarte gaten, en dit gedrag is wél meetbaar.”

Hij keek naar de invloed die axionen moeten hebben op binaire zwarte gaten, ofwel twee zwarte gaten die als een soort yin-yangsymbool om elkaar heen draaien. Uiteindelijk resulteert deze spiraal in een botsing van de twee. Daarbij ontstaan zwaartekrachtsgolven die op aarde zijn te detecteren. „We weten dat áls axionen bestaan, deze een invloed uitoefenen op de wijze waarop twee zwarte gaten om elkaar heen roteren. Mijn onderzoek werkt het scenario uit waarin zwaartekrachtsgolven gevormd worden mét een interactie van axionen. Dit scenario wijkt af van de situatie zonder axionen. Als de observaties overeenkomen met het axionen-scenario, dan bewijst dit het bestaan van axionen.”

Als axionen bestaan, legt hij uit, zouden deze als een wolk rondom zwarte gaten moeten voorkomen, een zogeheten boson-wolk. Bosonen vormen de categorie deeltjes waar het axion binnen zou vallen. Typisch voor sommige bosonen is dat ze krachten faciliteren of dragen. Zo dragen fotonen licht en houden gluonen atomen bij elkaar middels de zogenoemde ‘sterke kernkracht’, maar zo simpel als dit is het niet, zegt Tomaselli. „Het axion-boson is bijvoorbeeld bij geen enkele kracht betrokken. Wat bosonen precies zijn is lastig uit te leggen.” Wel weet hij dat het axion betrokken is bij zwarte gaten: „Zwarte gaten staan erom bekend dat ze alles opslokken wat te dichtbij komt, maar dit is niet helemaal waar. Ze produceren ook deeltjes, en we denken dat axionen hier ook bij horen. Daarom vormen boson-wolken van axionen zich vanzelf rondom een zwart gat.”

Een liefde voor lesgeven

Uit Tomaselli’s uitleg blijkt dat hij ook een groeiende liefde heeft voor lesgeven. „Ik onderzoek graag het onbekende, aan de grens van de bekende wetenschap, maar ik hou evengoed van discussiëren en het communiceren van de bekende wetenschap.”

Dit enthousiasme blijkt uit de manier waarop hij uitlegt. Hij vertelt over allerlei bizar klinkende concepten die een rol spelen in zijn onderzoek, zoals ‘gravitationele atomen’ en ‘superradiatie’. Voor de leek klinken deze fenomenen even wonderlijk als ondoorgrondelijk, totdat Tomaselli het uitlegt.

Met zijn nieuwe positie aan het Institute for Advanced Study in de VS kan hij volop wetenschap bedrijven. Onder andere Albert Einstein deed hier jarenlang onderzoek. Dit maakt het een inspirerende plek, zegt Tomaselli. „Ik wil hier andere onderwerpen verkennen dan in Amsterdam, dat ik dit op deze plek mag doen is enorm motiverend.”

Het is afwachten wat metingen aan zwaartekrachtgolven in de toekomst laten zien over axionen. Tot die tijd blijft Tomaselli’s proefschrift een robuust theoretisch werk.

Delen

Mail de redactie