Gebroken lading; Nobelprijswinnaar maakt jacht op gefractioneerde eenheidslading

Elektrische lading van vrije deeltjes, zo wil de standaardopvatting, gaat in eenheidsporties. Maar nog altijd zijn er fysici die de elementaire lading willen breken.

IN 1910 PUBLICEERDE Robert Millikan de eerste resultaten van zijn metingen ter bepaling van de lading van het elektron. Daartoe had hij een ingenieuze methode ontwikkeld. Eerst liet hij tussen twee metalen platen minuscule oliedruppeltjes los. Als gevolg van de luchtwrijving vallen die spoedig met een constante snelheid. Onder de microscoop mat Millikan de tijd die een druppeltje nodig had om een vaste afstand af te leggen, waarna hij de platen oplaadde. Als zo'n druppeltje dan één of meer vrije ladingen bevatte, dan werd het door het elektrische veld omhoog getrokken. Door opnieuw de tijd te meten konden zowel de massa als de lading van het bolletje worden bepaald.

Hoewel zijn resultaten veelbelovend leken - in bijna alle gevallen werden veelvouden van een eenheidslading gevonden - klopten ze nog niet helemaal. Millikan geloofde echter heilig in de realiteit van elektronen, en wilde per se zo'n eenheidslading vinden. Helaas duidden 7 van de 38 metingen op 'fractionele elektronen'. In het artikel betoogde hij dat deze niet dienden te worden meegenomen, omdat ze 'onbetrouwbaar' waren.

Die conclusie was een doorn in het oog van de Weense fysicus Felix Ehrenhaft. Hij deed soortgelijke metingen en geloofde wél in fractionele elektronen. Er ontspon zich een felle discussie, zelfs Planck, Einstein, Born en Schrödinger bemoeiden zich ermee. Tot Millikan in 1913 nieuwe resultaten publiceerde die, zoals hij schreef '...geen geselecteerde groep van druppeltjes vertegenwoordigden, maar alle druppels die gedurende zestig opeenvolgende dagen waren doorgemeten.' De zaak leek gesloten. Millikan kreeg in 1923 de Nobelprijs en Ehrenhaft zegde gedesillusioneerd de wetenschap vaarwel. Zestig jaar later bleek uit Millikans laboratoriumjournaals dat hij wel degelijk alleen de 'beauties' had gepubliceerd: 49 druppeltjes waren weggemoffeld. Maar toen stond zijn gelijk al wel vast. Laten we het erop houden dat zijn fysisch inzicht hem heeft gered.

Daarmee was de kous niet af. Begin jaren tachtig publiceerde George LaRue van Stanford University in Physical Review Letters een artikel dat veel stof deed opwaaien: hij beweerde fractionele ladingen te hebben gevonden. Nou was die ontdekking niet helemaal onzinnig: het stond al een tijdje vast dat elementaire deeltjes als het proton en neutron opgebouwd waren uit quarks, en die hadden een lading van ±1/3 of ±2/3 (vergeleken met die van het elektron). En hoewel de overtuiging bestond dat quarks niet als aparte deeltjes konden worden waargenomen, was dat toen meer een ervaringsfeit dan dat er een goede verklaring voor bestond. LaRue had zijn lading van 1/3 gevonden met behulp van een nieuwe methode, de levitometer. Hierin wordt een klein bolletje in een magneetveld zwevend opgehangen, waarna een oscillerend elektrisch veld het in trilling brengt. Uit de grootte van de trilling volgen lading en massa van het deeltje.

De metingen van LaRue werden overal ter wereld herhaald. Ook Millikans experiment werd weer uit de kast gehaald. Een onafhankelijke bevestiging bleef uit. Martin Perl - in 1995 Nobelprijswinnaar voor zijn ontdekking van het tau-deeltje (een zwaarder broertje van het elektron) - vindt dat nog steeds een compleet mysterie. Perl: “Het zijn eerlijke, hard werkende natuurkundigen en ik geloof niet dat ze bevooroordeeld waren. Het was voor mij in elk geval aanleiding om me ermee te bemoeien.”

Al een paar jaar is Perl in de schaduw van experimenten met de grote lineaire versneller in Stanford (SLAC) met een klein groepje medewerkers bezig de proef van Millikan te verbeteren. Hij doet dat in afzondering, geen portier van het instittut heeft van hem gehoord. Perls filosofie is simpel. Als je gelooft dat geïsoleerde quarks of andere deeltjes met een fractionele lading kunnen bestaan, dan moet je proberen dat aan te tonen op een manier die simpel is te reproduceren. Perl: “We houden alles heel goedkoop en werken bijna uitsluitend met apparatuur die zo uit de catalogus komt. Ook beschrijven we uitgebreid hoe we de zaken aanpakken. 'Please check us!', zouden we onze collega-wetenschappers willen toevoegen.”

In zo'n speculatief experiment moet je je volgens Perl laten leiden door je gevoel. Grote versnellers of opstellingen met kosmische straling meed hij. Perl voelde veel voor de elegantie van Millikans opzet, maar dan wel volgens de technologie van nu. Dus werd alles geautomatiseerd, van het genereren van de oliedruppeltjes en het aan- en uitzetten van het veld tot het waarnemen en meten van de snelheid.

Aanvankelijk kwamen de druppeltjes uit de kop van een inktjetprinter. Toen deze werd aangetast door de gebruikte olie, moest een siliciumversie worden ontwikkeld. Daar is inmiddels patent op aangevraagd waarvoor een biotech-firma belangstelling heeft getoond. Inmiddels zijn miljoenen druppeltjes van rond de zeven micron (een micron is eenduizendste millimeter) gemaakt, waarvan vele tegelijk tussen de platen zijn doorgemeten. De sterk toegenomen video processing mogelijkheden van de computer en de steeds grotere chips waarmee afbeeldingen kunnen worden gemaakt zijn daarom een uitkomst.

In de eerste serie van zes miljoen waarnemingen - vergelijk de paar honderd van Millikan - werden slechts veelvouden van de elementaire eenheidslading gevonden. Het plan is nu aan de oliedruppeltjes fijn gemalen vaste stof toe te voegen, in de hoop dat deze vrije quarks bevatten. Het idee is dat deeltjes met een fractionele lading vlak na de Big Bang in ruime mate aanwezig waren en nog altijd kunnen worden aangetroffen. Ze zouden in de vorm van meteorieten op aarde kunnen komen. Of ze worden gedeponeerd in gesteenten wanneer kosmische stralen op aarde botsen. Dat laatste kwam vooral vlak na het ontstaan van de aarde voor. Het is dus zaak oergesteenten te vinden die niet aan aardse chemische reacties zijn blootgesteld. Met de NASA lopen gesprekken over het beschikbaar stellen van maangesteente.

Perl: “Het is een speculatief experiment, maar dat geeft niks. Vooral jonge mensen moeten aan quirky things kunnen werken. Om uit te vinden of een idee goed is, moet je beginnen met het bouwen van een opstelling. Dat gaat vast niet direct goed, maar daardoor kom je op nieuwe ideeën. Ik vind dat 10 procent van elk researchbudget gewijd zou moeten worden aan dit soort kleine, buitenissige experimenten.”