Blinde ziend

Amerikaanse en Japanse mega-experimenten moeten een minuscule asymmetrie in de natuurwetten aantonen. De eerste resultaten vallen niet tegen maar de nauwkeurigheid moet beter.

Waarom is er zo ver het oog reikt in het heelal alleen materie en is er nergens antimaterie? Dankzij de inspanningen van twee internationale groepen van natuurkundigen begint er langzaam wat meer duidelijkheid te komen in dit mysterie. Eind januari werden de voorlopige uitkomsten gepresenteerd van twee mega-experimenten: Belle, op het terrein van de universiteit van Tsukuba in Japan, en BaBar, bij de lineaire versneller (SLAC) van Stanford in Californië.

Belle en Babar werden zeven jaar geleden opgezet met het doel een minuscuul verschil in het gedrag van materie en antimaterie op het spoor te komen. Theoretisch natuurkundigen menen dat een kleine asymmetrie in de natuurwetten tijdens de Big Bang, waarmee het heelal zo'n 15 miljard jaar geleden begon, een overwicht van materie in de hand werkte. Als zij gelijk hebben, dan zou dat moeten blijken uit het gedrag van exotische subatomaire deeltjes die ontstaan als elektronen en positronen (anti-elektronen) met de juiste energie op elkaar knallen.

De afgelopen twee jaar zijn miljoenen van dat soort botsingen in kolossale meetopstellingen opgewekt en geanalyseerd. Dat er zo'n asymmetrie is, lijkt op dit moment zeker, maar zij is kleiner dan verwacht op basis van het Standaard Model, de op dit moment beste beschrijving van alle subatomaire deeltjes en hun interacties. Maar voor definitieve conclusues is de meetonnauwkeurigheid nog te groot. En zoals Einstein al zei: ``Als de feiten niet kloppen met de theorie, dan is dat jammer voor de feiten.'' Om de theorie echt op de proef te stellen, moet er dus worden doorgemeten.

De Nederlandse fysicus Gerhard Raven is nauw betrokken bij de experimenten met BaBar, de enorme, twaalfhonderd ton wegende detector van SLAC. Na zijn promotie op het NIKHEF, het Nederlands Instituut voor Kernfysica en Hoge Energie Fysica in Amsterdam, vertrok hij in 1995 naar de universiteit van San Diego, maar zijn basis werd de lineaire versneller van Stanford. In de jaren zestig doken de eerste experimentele aanwijzingen voor CP-schending op, de technische term voor het verschil in gedrag tussen materie en antimaterie. Ze leverden James Cronin en Val Fitch in 1980 de Nobelprijs op. Raven: ``Cronin en Fitch deden hun experiment met deeltjes genaamd kaonen, maar het effect zou veel duidelijker moeten zijn in het geval van de veel zwaardere B-mesonen.''

botsingen

Deze subatomaire deeltjes zijn opgebouwd uit een bottom quark en een down quark. Als elektronen en positronen met de juiste energie botsen, vormen zich een B en een B-streep, de antimaterie-partner, om bijna direct weer uiteen te vallen in andere subatomaire deeltjes. Raven: ``Dat kan op een heleboel manieren. Slechts een paar daarvan zijn van belang om te kunnen bepalen of een B zich anders gedraagt dan een B-streep.'' Van de in totaal dertig miljoen botsingen die door BaBar en Belle zijn onderzocht, waren er maar duizend die aan alle voorwaarden voldeden. De kunst is om bij die zeldzame gebeurtenissen de tijd te meten die verloopt tussen het verval van de eerste B en de tweede. Aan de hand van een heleboel van dat soort metingen komt de CP-schending aan het licht.

De grootte daarvan wordt uitgedrukt in een parameter die bekend staat als sin(2). Het berekenen van de theoretische waarde is lastig omdat in dit geval er geen eenvoudige manier bestaat om de vergelijkingen van het Standaard Model op te lossen. Dus zoeken fysici hun toevlucht in benaderingen om zo de vergelijkingen te vereenvoudigen. Raven: ``De grote vraag is dan altijd of dat wat je verwaarloost, ook echt verwaarloosd mag worden.''

Het antwoord moet van de experimentatoren komen. Maar volgens Raven zijn die vooringenomen: ``Velen hebben van tevoren hun mening al bepaald. Ieder heeft wel een favoriete reden om aan een bepaalde waarde van sin(2) de voorkeur te geven. Als je dan de resultaten van de experimenten gaat analyseren, en er komt een andere waarde uit dan je verwacht, dan is de verleiding groot om naar redenen te gaan zoeken waarom bepaalde datapunten eigenlijk niet juist zijn. En als de waarde in de buurt ligt van wat je verwachtte, dan houd je op met zoeken.''

Om zulke machinaties voor te zijn kwam een collega van Raven, Aaron Roodman, vorig jaar met het voorstel de analyses `blind' uit te voeren. Raven: ``De computer geeft in dat geval niet de uitkomst van het experiment weer, maar telt er bijvoorbeeld eerst een willekeurig, van te voren bepaald getal bij op. Zo kan niet naar een `gewenst' antwoord toegewerkt worden.''

Blinde analyse was voor het eerst toegepast bij KTeV, een experiment op het Fermilab nabij Chicago, waarin ook gezocht werd naar een asymmetrie tussen materie en antimaterie. Daar kwam uiteindelijk een grotere asymmetrie uit dan was verwacht, hetgeen voor sommigen een enorme verrassing was.

compromis

Niet iedereen bij SLAC was direct enthousiast over de nieuwe wijze van analyseren. Raven: ``Er is stevig over gediscussieerd. Door veel met de mensen te praten hebben we iedereen min of meer weten te overtuigen. Uiteindelijk is er een compromis uitgerold. De regels in het computerprogramma die zorgden voor de versleuteling werden verborgen achter een password. Iedereen mocht dat weten, zolang de mensen die de analyse deden maar op geen enkele manier werden ingelicht.'' Wekenlang boog een selecte groep van vijf fysici zich over de metingen. Ze hadden geen enkel houvast en konden alleen afgaan op de juistheid van elk afzonderlijk datapunt.

Op 29 januari werd de versleuteling opgeheven. De kamer van Riccardo Faccini, coördinator van de analyses, was op dat moment bomvol nieuwgierigen. Binnen een minuut was de computer klaar met terugrekenen naar het `echte' antwoord, door een van de aanwezigen als `the number from hell' gekarakteriseerd. Het bleek precies in te liggen tussen nul en de meest waarschijnlijke, door het Standaard Model voorspelde waarde. Bovendien is de meetonnauwkeurigheid nog erg groot.

Het Belle-experiment leverde weliswaar een iets grotere waarde op voor sin(2), maar met een navenant grotere onzekerheid. Wanneer de resultaten van beide experimenten worden gecombineerd, wordt het beeld wat duidelijker. Het `wereldgemiddelde' van sin(2) is gelijk aan 0,49 – duidelijk ongelijk aan nul omdat de meetonnauwkeurigheid 0,16 bedraagt. Alle metingen samen tonen dus aan dat CP-schending inderdaad optreedt. Toch gaan de experimenten door. Zo zijn er bij BaBar plannen om het aantal botsingen te vergroten tot veertig miljoen alleen al dit jaar. Ook de versnellers van het Fermilab, waar protonen en anti-protonen op elkaar botsen, zullen binnenkort het Standaard Model op de proef stellen.