Tijd Tijd Tijd; KAON-DEELTJE ZIET ONDERSCHEID TUSSEN VERLEDEN EN TOEKOMST

In de wereld van het alledaagse loopt de tijd onverbiddellijk vooruit richting toekomst. Op het niveau van de elementaire deeltjes doet tijdomkeer er niet toe. Behalve bij het neutrale kaon - voorwaarde voor ons bestaan.

WAT TIJD IS, weet niemand. Niettemin ervaren we dat de tijd verstrijkt. Iedere seconde die wegtikt behoort onherroepelijk tot het verleden, we kunnen er nooit meer bij. Wanneer we de film terugdraaien, merken we dat direct. De Titanic die uit de diepte omhoog komt, scherven die van de grond vliegen en een vaas vormen, kinderen die de Sint toezwaaien terwijl de stoomboot achteruit wegvaart: het zijn processen die in het echt niet voorkomen. 'Geen klok, geen god, geen rekenmeester kan iets veranderen aan de volgorde waarin de uren tot ons komen', schreef Willem Frederik Hermans in Een heilige van de horlogerie.

Maar op microniveau is de pijl van de tijd lang zo dwingend niet. De klassieke bewegingswetten van Galilei, Newton en Einstein maken totaal geen onderscheid tussen verleden en toekomst. Wie een botsing tussen twee biljartballen opneemt en de band achteruit laat lopen, ziet een gebeurtenis waar niets mis mee is. Of de tijd voor- of achteruit loopt valt aan de beelden niet te zien. Lang is gedacht dat ook bij interacties tussen elementaire deeltjes, het domein van de quantumtheorie, de uitkomsten bij tijdomkeer hun geldigheid behouden. Meestal is dat ook zo maar er blijkt een uitzondering te bestaan. Bij het neutrale kaon-deeltje zo is onlangs in deeltjeslaboratoria in Geneve en Chicago voor het eerst rechtstreeks vastgesteld, blijkt de richting van de tijd er fysisch wel degelijk toe te doen. Het is een bescheiden effect, maar met verstrekkende consequenties op kosmologische schaal: ons bestaan hangt er ten nauwste mee samen.

Fysici zijn verzot op symmetrie: het is een probaat middel om theorieen breed toepasbaar te maken. Een belangrijke symmetrie is tijd.

Tijdomkering maakt de natuur vaak niet uit. Wanneer we in de wiskundige vergelijkingen waarin natuurkundige theorieen vervat zijn de factor 'tijd' omkeren (t door -t vervangen), kan dat geen kwaad. Fysici zeggen: de vergelijkingen zijn voor de ingreep invariant. Tijdsymmetrie dus dat het niet uitmaakt of de tijd voor- of achteruit loopt, staat niet op zichzelf. Op microniveau is hij gekoppeld aan spiegelsymmetrie en ladingconjungatie-symmetrie. Ladingconjugatie is het verwisselen van deeltjes en anti-deeltjes. Samen met tijdomkering vormen ze een hecht trio. Lange tijd is gedacht dat alle drie deze symmetrieen universeel geldig waren. Dat berustte op een misvatting. Een voor een bleken ze in een bepaald domein van de natuurkunde te falen: er zijn processen die ze hebben weten te breken.

MET DE KLOK MEE

Bij spiegeling verwisselen links en rechts, met de klok mee wordt tegen de klok in. Als de natuur het spiegelbeeld van een fysisch proces net zo op prijs stelt als het origineel, heet het dat de pariteit behouden blijft. Ladingconjungatie transformeert een deeltje in zijn antideeltje. Antideeltjes vloeien voort uit de quantumtheorie. In 1928 voorzag een basisvergelijking van de theoreticus Paul Dirac in het bestaan van het positron, een deeltje net zo zwaar als het elektron, alleen positief geladen. Een positron is in zekere zin op te vatten als een elektron dat terugloopt in de tijd.

Deze drie symmetrieen - aangeduid met T, C (charge) en P - zijn alle strikt geldig gebleken in het geval van de sterke wisselwerking tussen quarks, de samenstellende deeltjes waaruit protonen, neutronen en mesonen zijn opgebouwd. Ook bij de elektromagnetische krachten tussen elektronen klopt het als een bus.Maar bij de zwakke wisselwerking, die onder andere aan het verval van radioactieve atoomkernen ten grondslag ligt, lag de natuur dwars.

Daar bleken ze stuk voor stuk gebroken.

Als eerste ging pariteit voor de bijl. In 1956 merkten de Chinees-Amerikaanse natuurkundigen Tsung Dao Lee en Chen Ning Yang dat voor de zwakke wisselwerking spiegelsymmetrie werd verondersteld zonder ooit fatsoenlijk te zijn aangetoond. Omdat pariteitbehoud zo vaak optrad, hadden theoretici hem gemakshalve tot universele wet verheven. Aanleiding tot het wantrouwen van Lee en Yang was het exotische verval van kaonen. Het deeltje was in 1947 ontdekt aan de hand van het V-spoor dat kosmische straling in een nevelvat achterliet. Later bleek het om een combinatie van een quark en een antiquark te gaan. Kaonen, die instabiel zijn, desintegreerden op diverse manieren en hadden lak aan de eis tot spiegelsymmetrie. Eerst gingen er nog stemmen op om per vervalwijze een apart deeltjes aan te nemen, toevallig met dezelfde massa en levensduur - fysici geven hun wetten niet graag op. Maar na het ingrijpen van Lee en Yang die eenvoudige experimenten opperden welke pariteitschennis binnen enkele maanden onomstotelijk aan het licht brachten, zagen theoretici zich gedwongen bakzeil te halen. De ontdekking van Lee en Yang haalde de voorpagina van de New York Times en leverde het duo binnen het jaar een Nobelprijs op.

Een wel heel flagrante schending van pariteit, zo bleek later, vertoont het met de zwakke wisselwerking geassocieerde neutrino. Van dit ongeladen, (vrijwel) massaloze 'spookdeeltje' bestaat in de natuur alleen de linksdraaiende variant. Quantumvader Wolfgang Pauli, die het neutrino in 1930 als uitweg postuleerde voor een theoretische crisis, reageerde ontgoocheld: 'God is een linkshandige zwakkeling'. De Zweedse fysica Cecilia Jarlskog trok vanwege het ontbreken van een (rechtsdraaiend) neutrino-spiegelbeeld de treffende vergelijking met vampiers (die, zoals bekend, geen spiegelbeeld hebben).

OP GELIJKE VOET

Met het falen van de spiegelsymmetrie voor de zwakke wisselwerking verviel tegelijk ook de C-invariantie. Anti-deeltjes stonden niet langer op gelijke voet met gewone deeltjes: linkshandige anti-neutrino's zijn nooit waargenomen. De fysici namen hun verlies en betrokken een nieuwe positie. De hoop die ze na de dreun van Lee en Yang koesterden was dat de gecombineerde CP-transformatie - eerst spiegelen dan anti-deeltjes nemen (of andersom) - tenminste wel invariant is. Helaas. In 1964 lieten experimenten ook die droom in rook opgaan.Weer was het kaon de boosdoener. Een bepaald type verviel in twee op de duizend gevallen tot twee pionen (zusterdeeltjes van het kaon), terwijl dat van de CP-invariantie niet mocht. Latere experimenten hebben de symmetriebreuk bevestigd. Het waarom van deze lichte schending is nog steeds een groot mysterie.

Na al deze aanslagen rest de fysica nog een bolwerk: CPT-invariantie. Het idee is dat de natuurwetten alsnog overeind blijven als en de tijd omkeert, en er gespiegeld wordt, en antideeltjes de plaats van de gewone innemen. De volgorde van de symmetrie-operaties maakt niet uit. CPT-invariantie vloeit voort uit de quantumtheorie en geldt als een hoeksteen van het Standaardmodel dat de elementaire deeltjes en hun interacties verbluffend precies beschrijft. Uitgaande van de absolute geldigheid van CPT - geen experiment heeft tot nu toe twijfel weten te zwaaien - leidt een gebroken CP-invariantie bij kaonen automatisch tot een breuk in T-invariantie bij die deeltjes. Omkering van de tijd moet dus effect sorteren, en wel in zo'n mate dat voor de CP-breuk wordt gecompenseerd.

Theoretici hebben sinds het verlies van de CP-invariantie in 1964 dus gegronde redenen te denken dat kaonen verschil zien tussen toekomst en verleden.

Maar van een rechtstreekse experimentele bevestiging van deze breuk met de tijd was het tot nu toe niet gekomen. Zoiets knaagt. Wie weet lapte het kaon het 'm weer en zette het vermaledijde deeltje de theorie opnieuw in haar hemd. Maar voor zover het zich laat aanzien is van een nieuwe revolutie geen sprake. Twee onderzoeksteams, verbonden aan het CERN in Geneve en het Fermi-laboratorium in Chicago, hebben met experimenten in deeltjesversnellers aangetoond dat de tijdsymmetrie bij neutrale kaonen inderdaad in de juiste mate gebroken is: de CP-invariantie wordt erdoor gecompenseerd en CPT blijft overeind. De theoretici hadden niet anders verwacht, maar zullen opgelucht adem halen. De Fermi-groep bracht zijn voorlopige resultaten op 12 oktober als naar buiten en claimde de eerste te zijn. Wat in Geneve tot gefronste wenkbrauwen leidde: daar is het experiment in tegenstelling tot in Chicago afgerond en de publicatie, die de peer review is gepasseerd, verschijnt een dezer dagen in het tijdschrift Physics Letters B. Prioriteiten luisteren nauw, ook in de fysica.

ZEVENTIEN INSTITUTEN

Het Geneefse experiment luistert naar de naam CPLEAR. CP staat hier voor de te bestuderen symmetrie, LEAR is het acroniem voor Low Energy Antiproton Ring, een CERN-faciliteit voor laag-energetische antiprotonen. De machine levert ze in een bundel van een millimeter dik, in een tempo van een miljoen stuks per seconde. De kaonen ontstaan zodra de antiprotonen in een bol met samengeperst waterstofgas dringen. Waterstofkernen zijn niets anders dan protonen, zodat er annihilatie optreedt: het versmelten van een deeltje met zijn antideeltje. Uit de energie die dit proces oplevert treedt een fors aantal deeltjescombinaties naar voren.

Het CPLEAR-team, ruim honderd fysici uit zeventien instituten, was vooral geinteresseerd in de productie van neutrale kaonen en hun bijbehorende antideeltjes: alleen het verval daarvan verschaft bij dit experiment inzicht over het al dan niet gebroken zijn van de tijdsymmetrie en de CPT-symmetrie. Gemeten is in hoeverre de transformatiesnelheid van kaonen in hun antideeltjes verschilt met die van het omgekeerde proces. Zo ja, dan was het breken van de tijd rechtstreeks gezien.

De uitdaging waarvoor de CERN-onderzoekers zich geplaatst zagen was dat het botsen van een antiproton op een (praktisch stilstaand) proton slechts in 0,4 procent van de gevallen het gewenste kaon of antikaon oplevert. Voor het overige komen er vooral onbruikbare series pionen tevoorschijn. Het was dus zaak het complex aan detectoren met bijbehorende elektronica zo in te richten dat het systeem on line (in de praktijk binnen 5 microseconde) de neutrale kaonen herkent en, om de datastroom beheersbaar te houden, alleen gegevens van hun vervalproducten (pionen, elektronen neutrino's en hun antideeltjes) naar magnetische band wegschrijft. Events die deze screening doorstonden, zijn achteraf aan nadere analyse onderworpen. Omdat ze zeldzaam zijn, en het te meten effect klein is, gingen er jaren van waarnemen overheen voordat er een resultaat op tafel lag dat statistisch voldoende betrouwbaar was. Conclusie: de tijdinvariantie is in de verwachte mate gebroken en CPT blijft binnen de meetonnauwkeurigheid overeind.

TEVATRON

Het KTEV-team (Kaons at the Tevatron) van het Fermilab lijkt langs een andere weg tot dezelfde conclusie te komen. In Chicago bestudeert men het verval van het neutrale kaon in vier deeltjes: pion, antipion, elektron en positron.

Deze variant komt in 1 op de 10 miljoen gevallen voor. Ook nu treedt een asymmetrie in de tijd aan het licht. In Chicago komt de kaonproductie voor rekening van het Tevatron, 's werelds krachtigste protonversneller. Naar verwachten zullen de metingen in 1999 zijn afgerond.

Dat je bij kaonen de klok niet ongestraft terug kan draaien, hoe klein de breuk ook is, heeft op kosmologische schaal vergaande consequenties. Het was Andrei Sacharov die een verband legde tussen tijdsymmetrie en de aanwezigheid van materie en anti-materie in het heelal. Wanneer de natuurwetten tijdinvariant zijn, zo toonde de Russische fysicus aan dan moeten de hoeveelheden materie en antimaterie elkaar in evenwicht houden. Nu oogt antimaterie op afstand hetzelfde als materie: een anti-waterstofatoom is evenzwaar als gewoon waterstof en het zendt dezelfde straling uit. Hoe valt dan met zekerheid uit te maken of Betelgeuze, de Andromeda-nevel of welk hemelobject dan ook, soms niet uit anti-materie bestaat?

Nu is er een manier waarop anti-materie zijn bestaan verraadt: bij botsing met gewone materie wordt alle massa indachtig Einsteins formule E=mc2 omgezet in energie. Dit proces heet annihilatie. Omdat de bouwstenen van de materie bepaalde massa's hebben zou de resulterende gammastraling bepaalde energieen moeten bezitten. Nu zijn botsingen tussen sterrenstelsel in de astronomie een vertrouwd fenomeen. Als materie en anti-materie gelijk vertegenwoordigd zijn, zou bij de helft van die kosmische confrontaties annihilatie moeten optreden. Omdat de vrijkomende gammastraling, in plaats van ons te overspoelen, zich nauwelijks manifesteert, lijkt de conclusie gerechtvaardigd dat in het heelal de gewone materie zwaar de overhand heeft.

Dus is de natuur niet tijdsymmetrisch, een conclusie die mooi aansluit bij het in Geneve gevonden resultaat. Nu dient zich het volgende scenario aan. Direct na de oerknal, zo'n vijftien miljard jaar geleden, vormden zich reusachtige hoeveelheden materie en anti-materie. Maar niet van elke soort evenveel: door de breuk met de tijdinvariantie, zoals aangetoond bij het neutrale kaon, was de materie lichtelijk in de overhand. Binnen de kortste keren vraten materie en anti-materie elkaar op, met als resultaat een zee van gamma's waarvan de alom aanwezige 3 kelvin-achtergrondstraling - de afkoeling is het directe gevolg van het uitdijende heelal - nog altijd getuigt. Het 'geringe' surplus aan gewone materie dat dit helse vuurwerk overleefde ligt aan de basis van de latere sterrenstelsels. Zo bezien hangt ons aardse bestaan ten nauwste samen met vreemdsoortige kaonen die hoe bescheiden ook, het onderscheid zien tussen verleden en toekomst.

    • Dirk van Delft