Een nieuwe ontwikkeling in de elementaire deeltjes-fysica; Voor 'materievreter' is hyperversneller nodig

Sinds omstreeks 1974 hebben de natuurkundigen een theorie voor alle tot nu toe bekende subatomaire deeltjes en krachten, het zogeheten 'Standaard Model'. Weliswaar is dit model niet wiskundig perfect en verwacht men het in de verre toekomst te moeten aanpassen, maar wat we nu over de kleinste deeltjes weten wordt er nauwkeurig in beschreven.

Als uitgangspunt wordt het bestaan van een relatief klein aantal fundamentele deeltjes verondersteld. Sommige van deze, zoals het W- en Z-boson, konden pas jaren later experimenteel worden aangetoond, en er zijn er twee (het topquark en het Higgs-deeltje) die nog boven water moeten komen. Inmiddels produceert de onlangs in gebruik genomen reuze-deeltjesversneller LEP van het CERN te Geneve dagelijks duizenden Z-bosonen, en de resultaten van het onderzoek aan deze deeltjes lijken een nauwkeurige bevestiging op te leveren van het standaardmodel.

Nieuwe verschijnselen

Het standaardmodel geeft echter nog heel andere voorspellingen. De velden die normaliter verantwoordelijk zijn voor de 'zwakke kracht' (een van de twee kernkrachten) zouden onder bijzondere omstandigheden wel eens heel sterk kunnen worden, en dan kunnen er merkwaardige nieuwe verschijnselen optreden.

Omdat die velden aan ingewikkelde, niet-lineaire vergelijkingen voldoen zouden ze een bundeltje energie kunnen vormen dat een 'sphaleron' werd genoemd door F. Klinkhamer en N. Manton in 1984 (de laatstgenoemde is thans werkzaam bij de University of Cambridge). Om het sphaleron te maken zou men deeltjes tot nog zeker honderd maal zoveel energie moeten versnellen als wat LEP nu kan.

Het bijzondere van de sphaleron is dat het een 'materie-vreter' is. Het kan in een klap drie protonen en drie elektronen in pure energie omzetten, waarna het dan zelf uiteenvalt (vandaar de naam: 'sphaleros' in Grieks betekent instabiel). Als we sphaleronen konden maken zouden we dus materie in energie kunnen omzetten, zonder dat er iets overblijft.

Zelfs in een deeltjesversneller met te weinig energie per deeltje zou deze omzetting in principe kunnen plaatsvinden via een proces dat we tunneling noemen. Dit tunnelingsproces werd door G. 't Hooft in 1976 voor het eerst uitgerekend, maar met teleurstellend resultaat: slechts 1 op de 10 botsingen levert een sphaleron op dat protonen en elektronen kan opeten.

Om allerlei redenen verwachtte men algemeen dat de produktie van sphaleronen ook bij hogere energie zeer zeldzaam zou zijn. Ter vergelijking: hoe groot is de kans, wanneer men elektronische componenten met grote snelheid op elkaar afvuurt, dat er dan een werkende radio ontstaat? Sphaleronen zouden dus volstrekt onwaarneembaar zijn, en het hele idee werd als een academisch curiosum afgedaan.

Daar is men nu anders over gaan denken. In de eerste plaats realiseerden Klinkhamer en Manton zich al dat de sphaleronen een rol gespeeld zouden kunnen hebben in de allervroegste fase van het heelal, toen alle deeltjes in het heelal met geweldig veel energie door elkaar krioelden. De latere berekeningen van de Russen Kuzmin, Rubakov en Shaposhnikov gaven inderdaad het verrassende resultaat dat onder die omstandigheden het effect van de sphaleronen zo groot zou kunnen zijn geweest dat we misschien wel de geschiedenis van het Heelal moeten herschrijven.

Ongeloof

Dat bracht A. Ringwald uit Hamburg er toe nu eens heel nauwkeurig de berekening te doen over sphaleronproduktie door grote versnellers. Hij publiceerde zijn resultaten in juni vorig jaar, maar deze werden met veel ongeloof ontvangen. Volgens Ringwald namelijk zouden sphaleronen in grote hoeveelheden kunnen ontstaan als men protonen met energieen duizend keer die van LEP tegen elkaar laat botsen. De zwakke kracht zou bij die energie dan ook niet zwak meer zijn.

Diverse andere groepen theoretici sloegen aan het rekenen. Het sphalerongezelschap kwam op 16-19 september jl. bijeen in Erice, Sicilie. Er blijkt nogal wat onenigheid te bestaan. Men is het er weliswaar over eens dat de pogingen dit verschijnsel uit te rekenen een resultaat geven zoals Ringwald aangaf, maar de aannames die hij daar maakt zijn, zoals ook hij zelf beaamt, niet erg betrouwbaar. In feite is de theorie, het standaardmodel zelf, hier uiterst moeilijk te hanteren. Volgens velen blijft de kans dat een sphaleron ooit in het laboratorium zal worden gedetecteerd uiterst klein.

Overigens waren in Erice ook deskundigen op het gebied van de grote versnellers en detectoren. Men besprak plannen omtrent de allergrootste deeltjesversneller die ooit met de huidige technieken gebouwd zou kunnen worden. Deze versneller, het Eloisatron, met een omtrek van zo'n 300 km, zou volgens A. Zichichi in Sicilie moeten komen. Protonen botsen dan met ieder een energie van 100 TeV tegen elkaar. Dat is meer dan duizend keer het huidige LEP, en vijf maal de energie die de Amerikanen van plan zijn te bereiken in hun machine SSC in Texas.

Zal dit Eloisatron (of een andere versneller) grote hoeveelheden sphaleronen produceren? Het is een mogelijkheid die zowel door theoretici als experimentatoren verder wordt onderzocht.