Nobelprijs Natuurkunde; Spoorzoeken naar het neutraaltje

Alleen met bloed, zweet en tranen valt in fysica van de elementaire deeltjes nog experimenteel succes te behalen. Waar de onderzoeksgroepen uitdijen, daalt het aantal 'events'.

Met de toekenning van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 1995 aan de Amerikanen Martin L. Perl en Frederick Reines is experimenteel onderzoek bekroond naar elementaire deeltjes die bekend staan onder de naam leptonen. In het Standaardmodel, dat de kleinste bouwstenen van de materie zo succesvol in kaart brengt, vormen ze een aparte groep, naast die van de quarks en de krachtdragende bosonen.

Er zijn zes leptonen: het elektron, muon en tau-deeltje, ieder vergezeld van een eigen type neutrino. Reines zag in 1956 een kernreactor elektron-neutrino's uitstralen, Perl vond in 1975 in SLAC (de Stanford Linear Accellarator) het tau-deeltje.

Op die laatste vondst hadden de theoretici niet gerekend en het duurde drie jaar voor Perls signaal voldoende betrouwbaar werd geacht en als lepton herkend. Al snel bleek het bijzonder welkom te zijn: het Standaardmodel heeft niet graag zes quarks en vier leptonen. Met de komst van een derde duo leptonen was die anomalie mooi de wereld uit. Naar het tau-neutrino wordt overigens nog driftig gezocht. Misschien brengt de internationale onderzoeksgroep van dr.ir. Joop Konijn van het NIKHEF (Nederlands Instituut voor Kern- en Hoge-Energie Fysica) het binnenkort in Genève aan het licht.

Het bestaan van het neutrino werd in 1930 door Wolfgang Pauli gepostuleerd als uitweg voor de crisis van het -verval. Een radioactieve kern als zwavel-35 vervalt naar een stabiele chloorkern onder uitzending van een elektron of -deeltje. Bij dit proces wordt in de atoomkern een neutron omgezet in een proton en komt een elektron vrij. De energieboekhouding van dit soort processen deugde niet: de atoomkern verloor meer energie dan door het elektron werd meegevoerd. Zo hoog was de nood dat Niels Bohr openlijk met de gedachte speelde dat bij -verval de energie wel eens niet behouden zou kunnen zijn.

Pauli zocht de uitweg in een vlucht voorwaarts: door de atoomkern bij -verval naast een elektron ook een neutrino (de term is van Enrico Fermi en is Italiaans voor 'klein neutraaltje') te laten uitzenden, een ultralicht deeltje dat niettemin de rest van de energie met zich meevoert, redde de Zwitser een fundamentele behoudswet.

Tegenvoeters

Postuleren is één ding, aantonen iets anders. Omdat het neutrino zo extreem weinig interactie aangaat met de materie - van de 65 miljard zonneneutrino's die per seconde door een vierkante centimeter aardoppervlak vliegen zijn er maar zes die het op hun tocht naar onze tegenvoeters in de gaten hebben - wist het zich nog geruime tijd schuil te houden. Een kwart eeuw moest Pauli geduld uitoefenen eer zijn geesteskind door een experimentator in de natuur werd aangetroffen.

Reines en Cowan (1n 1974 overleden) plaatsten in een militaire kerncentrale in Hanford (Washington) een vat met 400 liter water, verdund met cadmiumchloride, tussen twee enorme tellers. Van de stortvloed aan reactorneutrino's bleken er enkele met een proton te reageren tot een neutron en een positron (het positief geladen anti-deeltje van het elektron). Het positron zoekt een elektron waarbij alle massa wordt omgezet in twee fotonen en even later wordt het neutron ingevangen door een cadmiumkern, eveneens onder vrijkoming van fotonen. Beide pulsen worden door de tellers opgemerkt en het is de combinatie aan signalen die het neutrino verraadt.

Begin jaren zestig had het Brookhaven National Laboratory bij New York de primeur van het muon-neutrino, in een experiment dat zoveel afscherming van achtergrondstraling vergde dat besloten werd het afgedankte slagschip Missouri aan staalplaten te zagen. Dat was twee en geen fysicus die twijfelt aan nummer drie, het tau-neutrino. In 1986 bestond de Canadees John Simpson het een vierde, ultrazwaar neutrino voor de dag te komen - 'Who ordered that?' zou Isidor Rabi hebben uitgeroepen - maar al snel bleek het te gaan om een artefact in de detectie-apparatuur.

Daarmee komen we op de kwestie van de neutrinomassa en de daaraan gekoppelde mogelijkheid tot gedaanteverwisseling. Het was Pontecorvo die in 1956 opperde dat als ze massa hebben, neutrino's van gedaante kunnen wisselen. Een elektron-neutrino uitgezonden door de zon zou dan op weg naar de aarde periodiek kunnen veranderen (oscilleren) in een muon- of tau-neutrino. Geen wonder dat astrofysici zo hardnekkig te weinig zonneneutrino's waarnemen: een deel is simpelweg van gedaante veranderd en wordt over het hoofd gezien. Via dezelfde truc zouden neutrino's kunnen bijdragen tot de 'donkere materie': de massa die de astronomen tekort komen om de beweging van sterrenstelsels te verklaren.

Verschillende onderzoeksgroepen spannen zich in neutrino-oscillaties aan te tonen. De beste vooruitzichten bieden experimenten met deeltjesversnellers omdat die intense neutrinobundels van één type leveren, zonder hinderlijke bijmenging. Inmiddels liggen de bovengrenzen van de drie neutrinomassa's op 4,5 eV, 0,160 MeV en 24 MeV (deeltjesfysici drukken massa uit in elektronvolts, 1 MeV = 1.000.000 eV, corresponderend met 1,78.10 kg). Dat kan alleen maar minder worden en mocht de massa alsnog nul blijken te zijn, dan is het zoeken naar oscillaties vergeefse moeite.

Babyolie

Begin dit jaar publiceerde de New York Times op de voorpagina het bericht dat een onderzoeksgroep in Los Alamos als eerste neutrino-oscillaties had waargenomen. Dat was nog voor de preprint - en aan de vooravond van een sleutelbijeenkomst waarin een adviescommissie van het Department of Energy over verlenging van het experiment zou beslissen. Inmiddels is in Physical Review Letters het artikel alsnog verschenen, samen met nog een artikel waarin één lid van het Los Alamos-team zich van de resultaten van zijn 42 collega's distantieert - koren op de molen van de wetenschapssociologie.

In Los Alamos staat een detector van 167 ton babyolie vermengd met een scheut scintillatiemateriaal om lichtflitsjes te genereren, alles omgeven met 1220 telbuizen. Het instrument wordt bestookt met anti-muonneutrino's gemaakt uit een bundel protonen. Na twee jaar meten rapporteert de Los Alamos-groep 9 elektronneutrino's te hebben waargenomen, waarvan er maar 2 aan neveneffecten zijn toe te schrijven. Conclusie: tenzij een systematische fout over het hoofd is gezien, of een onbekend exotisch effect de onderzoekers parten speelt, hebben muonneutrino's de gedaante aangenomen van elektronneutrino's.

Terwijl men in Los Alamos wacht op bevestiging elders, loopt in Genève het experiment van de CERN-groep van Joop Konijn. Het zoeken is in dit geval naar oscillaties tussen tau- en muonneutrino's. Eerst wordt met de SPS-versneller (Super Proton Synchrotron) een berillium trefplaat met protonen bestookt om muonneutrino's te maken. Een kilometer verderop wacht de CHORUS-detector (Cern Hybrid Oscillation Research apparatUS) gespannen af. Vooraan bevindt zich 800 kilo fotografische emulsie. Dat lijkt ouderwets maar is onontbeerlijk. Mocht een muonneutrino veranderen in een tau-exemplaar, bestaat de kans dat deze in de emulsie met een proton reageert tot een neutron en een tau-lepton. Die valt prompt uiteen, bijvoorbeeld in muonen en muonneutrino's.

Deze desintegratie verraadt zich door een knik in het spoor dat het tau-lepton achterlaat. Omdat de levensduur ultrakort is, bedraagt de lengte van zo'n spoor, ondanks de hoge snelheid van het tau-deeltje, niet meer dan een tiende van een millimeter. Nadat een emulsieplaat ontwikkeld is, zoekt een microscoop naar een knik. Waar, laat zich reconstrueren aan de hand van de muonsporen die 'optische vezel spoorzoekers' achter de emulsieplaten elektronisch vastleggen. Andere onderdelen van CHORUS bepalen de energie, lading en posities van de muonen. De totale lengte van de detector is 15 meter. Kosten: 15 miljoen gulden.

Inmiddels is er twee jaar met CHORUS gemeten maar slechts een kwart van de fotografische platen is ontwikkeld en wordt onderzocht op aanwezigheid van knikken. Die zijn inderdaad aangetroffen - een bewijs dat de automatische opsporingsmethode werkt - maar tot nog toe zijn ze helaas niet van tau-leptonen. Uitgaande van de huidige bovengrenzen aan neutrinomassa's kunnen er in de 800 kg emulsie een stuk of zestig boven water komen. Het zou het eerste rechtstreekse bewijs zijn dat tau-neutrino's bestaan. Maar het kan natuurlijk dat neutrino's alsnog massaloos zijn en dan houdt alles op. Twee jaar mag CHORUS nog spoorzoeken, daarna is het tijd voor de Large Hadron Collider. Ongetwijfeld plaatst dit speeltje de elementaire deeltjesfysica voor nieuwe raadsels en de laatste Nobelprijs voor dit onderzoeksgebied is nog niet uitgereikt.

Het Standaardmodel

De eigenschappen van de kleinste bouwstenen van de materie en hun onderlinge wisselwerkingen (de 'sterke' en de 'elektro-zwakke' wisselwerking) worden met verbluffende precisie beschreven door het Standaardmodel. In dat model, waarin de zwaartekracht overigens nog altijd moet worden ondergebracht, zijn de elementaire deeltjes geordend in drie categorieën: quarks, leptonen en gauge-fotonen. Quarks en leptonen zijn krachtvoelende deeltjes, gauge-fotonen krachtvoerende. Speculatief zijn nog het Higgs-boson, dat de andere deeltjes massa geeft, en het graviton, drager van de zwaartekracht.

Alleen quarks (die elk drie 'kleuren' kunnen aannemen en links- en rechtsom kunnen draaien) voelen sterke wisselwerking. Er zijn er zes, in drie generaties van twee: up en down (bouwstenen van het alledaagse), charm en strange, bottom en top. Het topquark, verreweg de zwaarste, is afgelopen maart door een onderzoeksgroep in Chicago ontdekt. Ook leptonen komen voor in drie tweetallen: elektron en elektronneutrino, muon en muonneutrino, tau-deeltje en tau-neutrino. Dat maakt, samen met de quarks, twaalf deeltjes, welk getal zich verdubbelt als we hun anti-deeltjes meetellen.

Zowel de sterke als elektrozwakke wisselwerking wordt overgebracht door gaugefotonen. Voor de quarks zijn dat de gluonen, voor de leptonen het foton en de vectorbosonen. Aan de ontdekking van de laatste dankt Simon van der Meer zijn Nobelprijs van 1984.

Het Standaardmodel is een groot succes, wat niet wil zeggen dat alles begrepen is. Zo weet niemand waarom de natuur ons heeft opgezadeld met materie die zich in drievoud herhaalt, en waarom de deeltjes per generaties zo sterk in massa toenemen.