In het gareel

In het depot van Museum Boerhaave liggen talloze stukjes geschiedenis van de natuurwetenschap opgeslagen achter gordijnen en in ladenkasten. Zoals een neutrinohoorn van Simon van der Meer.

OP 26 JANUARI 1983, op de winterbijeenkomst van de American Physical Society, maakte Carlo Rubbia tijdens een lezing in de Sutton Ballroom van het New York Hilton de vondst van het W-deeltje bekend. De aanwezigen knikten tevreden: het was mooi dat deze drager van de zwakke wisselwerking in de Geneefse deeltjesversneller CERN was opgedoken. Maar een verrassing was het niet. Als hoeksteen in het Standaardmodel, de natuurkundige theorie die de elementaire deeltjes met eclatant succes in kaart heeft gebracht, moest W wel bestaan. Sinds de jaren zestig was er reikhalzend naar uitgezien. Dat het zo lang had geduurd lag aan de deeltjesversnellers: pas begin jaren tachtig waren die krachtig genoeg.

Het is een misverstand te denken dat aan saaie ontdekkingen geen eer valt te behalen. Neem Simon van der Meer. Met Rubbia ontving hij voor de vondst van het W-deeltje in 1984 de Nobelprijs voor de Natuurkunde – Zweden was er als de kippen bij. Rubbia werd beloond omdat het botsingsexperiment dat de W-deeltjes produceerde zijn idee was, Van der Meer omdat het experiment alleen kon slagen dankzij zijn uitvinding om de deeltjes in het gareel te houden. De jacht op het W-deeltje was spannend en uitdagend, het was opereren op het randje van het haalbare, doorpezen met de hete adem van de concurrentie in je nek. Corvee is anders.

Welke bijdrage leverde Van der Meer? W-deeltjes ontstaan wanneer protonen en antiprotonen met voldoend hoge energie frontaal op elkaar botsen. Op iedere miljard botsingen, zo wezen berekeningen uit, zijn er zes waarin een W-deeltje opduikt. Dat is niet veel. Van der Meer – `Our best accellerator man', zei Rubbia in New York – zag zich als technisch fysicus voor de taak gesteld de bundels protonen en antiprotonen zo te concentreren dat de Geneefse detector in een tijdsbestek van enkele jaren toch voldoende W-events zou opmerken. De list die de Delftse ingenieur verzon was briljant èn simpel: `stochastische koeling'. Die werkt als volgt. Deeltjes die in de ondergrondse versnellerring (omtrek: 6 kilometer) te snel of te traag rondjes draaien worden `betrapt', waarna in ijltempo overdwars een signaal naar de overzijde van de ring wordt gestuurd. Door de kortere weg (diameter versus halve omtrek) arriveert dat signaal juist op tijd om de buitenbeentjes met een corrigerend stootje weer in het gareel te dwingen. Gevolg: een gefocusseerde bundel en dus meer kans op botsingen.

De detector die de Geneefse W-deeltjes opmerkte mat tien bij vijf meter en woog tweeduizend ton. Het artikel in Physical Review Letters had 135 auteurs. Sinds J.J. Thomson in 1897 het elektron in zijn eentje ontdekte – met een opstelling die op een keukentafel paste – waren de tijden radicaal veranderd. Alle schaalvergroting ten spijt kan de deeltjesfysica niet buiten briljante individuen met beslissende ideeën. Technici als Van der Meer horen daarbij. Na een studie meet- en regeltechniek aan de TU Delft, gevolgd door een kort verblijf bij Philips Research (het NatLab) in Eindhoven, begon Van der Meer in 1956 bij CERN, dat toen net bestond. Soms speet het hem tot techneut in plaats van tot degelijk fysicus te zijn opgeleid. Tegelijk besefte hij dat juist een onbevangen blik, gecombineerd met massa's praktische ervaring, zijn kracht uitmaakte.

Een voorbeeld daarvan is de hier afgebeelde magnetische hoorn, een idee van Van der Meer uit 1978. Het instrument focusseert de antiprotonen die uit een wolfraamdraadje treden dat pulsgewijs door protonen wordt gebombardeerd. De hoorn, gemaakt van dun aluminium, bezit een trechtervorm die in combinatie met een krachtig magnetisch veld tot de gewenste bundeling leidt. Vanuit de hoorn verzamelen de antiprotonen zich eerst in een speciale ring, de Accumulator, waar ze stochastische koeling ondergaan. Vervolgens wordt de geconcentreerde bundel naar de grote ring gestuurd, die de antiprotonen tot zeer hoge energie opzwiept. Daar eindigt hun leven in een frontale botsing met een al even energierijk proton. Museum Boerhaave kreeg zijn magnetische hoorn in 1989, na bemiddeling van Van der Meer. Het gaat om een reserve-exemplaar: een gebruikte hoorn is te zeer radio-actief als gevolg van het aanhoudende bombardement van antiprotonen.

Rubbia's idee om een bestaande protonring om te bouwen tot een botsingsmachine voor protonen en antiprotonen die W-deeltjes kon produceren, stamt uit 1976. CERN en het Fermi-lab, het Amerikaanse paradepaardje op versnellersgebied even buiten Chicago, mochten zeggen of ze trek in het plan hadden. Om organisatorische redenen toonden de Amerikanen geen interesse, zodat het Europese samenwerkingsverband het W-deeltje als eerste tevoorschijn toverde – de competitie beperkte zich tot CERN-teams. Maar in 1962, bij het speuren naar een nieuw type neutrino (een spookdeeltje dat zo weinig interactie met de materie heeft dat het met gemak dwars door de aarde vliegt), legde CERN het af tegen Brookhaven National Laboratory bij New York, ook al was de protonmachine op Long Island een half jaar later klaar dan die in Genève.

Reden voor dat verlies was een ontoereikende neutrinobundel als gevolg van foutieve berekeningen. Toen de misser werd onderkend was het te laat. Van der Meer viel weinig te verwijten. Februari 1961 lanceerde hij zijn idee voor een magnetische neutrinohoorn, bedoeld om pionen (deeltjes die in een atoomkern de protonen en neutronen bij elkaar houden) te bundelen – een voorloper van de antiprotonenhoorn uit 1978. Een scherpe bundel pionen was nodig om het nieuwe muon-neutrino, het deeltje waar de theoretici toen driftig over speculeerden, te kunnen maken. Van der Meers hoorn functioneerde prima: een jaar na Brookhaven had CERN alsnog honderden muon-neutrino's gedetecteerd. Maar voor de Nobelprijs telt de eerste en in 1988 zagen Leon Lederman en consorten hun geduld na 26 jaar beloond. Van een knagend gevoel om de gemiste kans zal Simon van der Meer toen weinig last hebben gehad: zelf had hij zijn medaille al vier jaar eerder in Zweden opgehaald. En dat de ontdekking van het muon-neutrino voor de buitenwacht een stuk spannender oogde dan die van zijn W-deeltje: soit.

Dit is het laatste deel van de serie over voorwerpen uit het depot van Museum Boerhaave. De twaalf afleveringen, voorzien van kleurenillustraties, zijn gebundeld in het boekje `Uit het depot'. Prijs: ƒ15,-. Te bestellen bij Museum Boerhaave, telefoon 071 5214224, toestel 623.