De laatste bouwsteen blijkt aalglad

24 december 1994
MARTIJN VAN CALMTHOUT

Het leek er even op dat de topquark was gevonden, waarmee de blokkendoos van Moeder Natuur compleet was. En waarmee de theoretisch-fysici hun gelijk hadden gekregen. Maar daarna werd het stil en het definitieve bewijs bleef uit. Sterker nog: uit de metingen komen nieuwe problemen naar voren.

FOTO DESY

WAAR HET bericht precies vandaan kwam en - vooral - via welk lek, zal wel nooit helemaal duidelijk worden. Maar plotseling was het er, die zonnige maandag 25 april, in de vorm van een telexsnippertje van het Duitse persbureau DPA over een gerucht in een Japanse krant. Topquark entdeckt!

Fysici van Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois, zouden de topquark bij de kop hebben, volgens theoretici de nog ontbrekende bouwsteen van de materie.
Eindelijk had, na jarenlang speuren in miljarden dollars verslindende versnellerprojecten, de natuurkunde de zestien bouwstenen van de blokkendoos van Moeder Natuur compleet.

Natuurkundigen leven in theorie in een buitengewoon overzichtelijke wereld. Materialen bestaan uit atomen. Atomen uit een kern waar elektronen omheen cirkelen. De kern uit protonen en neutronen. Protonen en neutronen uit drietallen zogeheten quarks van het type up en down.

Daarnaast zijn er vier krachtdragende deeltjes. En bij krachtige botsingen tussen materiedeeltjes kunnen bovendien nog allerlei andere deeltjes ontstaan. Dat kunnen leptonen zijn, familie van het elektron. Of deeltjes die uit vier minder gangbare quarks zijn opgebouwd - charm, strange, bottom; en nu dus ook top.

Of niet?
De vrijdag ervoor had een groep van meer dan vierhonderd auteurs van de CDF-groep (Collider Detector Fermilab) een artikel van dik honderdvijftig pagina's ingediend bij Physical Review D, een vakblad voor hoge-energiefysica. Geclaimd werd er zorgvuldig niets. Het buitengewoon gedetailleerde betoog droeg alleen een even omzichtige als suggestieve titel: 'Bewijsmateriaal voor de produktie van topquarks in proton-proton-botsingen bij 1,8 TeV.'

Evidence, maar geen proof, hielden de woordvoerders van het triomfantelijke natuurkundigen op de afgeladen persconferentie van 26 april onverstoorbaar vol.

Naar Chicago afgereisde journalisten waren die dinsdag woest en radeloos tegelijk. Woest omdat directeur John Peoples de week ervoor al uitgebreid gesproken bleek te hebben met William Broad van The New York Times, die dezelfde morgen een paginagroot verhaal over de ontdekking bracht. In de Amerikaanse pers-ethiek is dat hoogverraad. En radeloos omdat de fysici van Fermilab weigerden te zeggen dat ze het top-deeltje echt hadden gevonden. Waarom was bewijsmateriaal dan geen bewijs? Wat waren dit eigenlijk voor watjes van onderzoekers?

Toen de perskaravaan alweer een week weg was en de lente zich definitief in het prairiegras van het versnellerlaboratorium had genesteld, zaten de CDF-medewerkers bleek en verbouwereerd achter hun controlepanelen en beeldschermen. Wat was er na al die maanden keihard werken mis gegaan? Waarom begreep niemand dat ze hun nek juist ver hadden uitgestoken met de publikatie, hoe omzichtig die ook leek. Was jaren eerder een soortgelijke bekendmaking bij het Europese versnellerlab Cern in Genève niet op een pijnlijke canard uitgelopen? Nou dan.

Meters onder de grond flitsten op dat moment nog altijd de protonen rond in de zes kilometer lange, cirkelvormige Tevatron-versneller, de krachtigste protonenbotser ter wereld. Voorturend klapten in het hart van de CDF-detector protonen op elkaar, waarbij uit de pure energie massa's nieuwe deeltjes werden gevormd. Tot dan toe waren daarbij soms, om precies te zijn in twaalf gevallen, koppels deeltjes opgedoken die gevormd konden zijn toen een duo topquarks uit elkaar viel.

Kònden zijn. Stug doormeten was de enige manier om genoeg gevallen te verzamelen voor een keihard bewijs. Eind 1995 moet dat geleverd zijn, het moment dat de versneller uit bedrijf gaat voor een nieuwe verbouwing, om nog hogere energie te kunnen bereiken.


Een internationale deeltjes-conferentie in Glasgow gaf deze zomer geen nadere mededelingen, noch van de CDF-groep, noch van hun directe concurrent aan het andere eind van de Tevatron-versneller, de D0-groep. Bij D0 was in april nog geen bewijsmateriaal gevonden voor de top. Laat staan een bewijs. 'Onze metingen zijn niet in tegenspraak met die van CDF', heette het destijds zuinigjes. In oktober publiceerde D0 in het tijdschrift Phys. Rev. Letters negen botsingen waarbij een top gevormd zou kunnen zijn. Maar het konden ook best negen samenlopen van omstandigheden zijn, schreven de auteurs behoedzaam.

Inmiddels is de winter ingevallen in Batavia, het voorstadje van Chicago. Het vriest, de eerste sneeuw heeft de fietspaden op het uitgestrekte Fermilab-terrein onbegaanbaar gemaakt voor de horden rolschaatsers die er 's zomers overheen snorren. Santa klingelt in de shopping mall en de e-mail van medewerkers van het lab eindigt meer en meer met een MC'tje. Netwerkjargon voor Merry Christmas.

Maar wat tussen de regels door te lezen staat, getuigt van nervositeit. Een echt bewijs voor de topquark zal nog wel even op zich laten wachten. 'Topquarks zijn verdraaid lastige beestjes. Ze zijn zo glad als een aal en we krijgen er geen houvast op', laat een experimentator bij D0 weten.

In de nieuwe meetserie, die vanaf de zomer loopt, heeft deze groep met een detector aan de zuidzijde van de Tevatron-versneller nog eens negen nieuwe kandidaten op de lijst. 'Maar het aantal toevallige fluctuaties is evenredig omhoog gegaan, zodat we met twee keer zoveel gegevens eigenlijk toch stil zijn blijven staan.'

Maar bovendien gloort er een probleem. Als alles wat maar even op een topquark lijkt inderdaad als een echte top wordt opgevat, dan zijn de topquarks van D0 veel zwaarder dan die in april door de overburen werden gevonden. Dat kan niet. Quarks hebben slechts één massa.

Officieel heet zoiets 'interessant', onder vier ogen maakt menigeen in Batavia zich grote zorgen. Wat als CDF afgelopen april de huid heeft verkocht van een ongeschoten beer? Of misschien zelfs van helemaal geen beer?

'De glamour van de zoektocht is eraf, het is nu hard werken en pas de laatste weken kunnen ze gedetailleerd naar de nieuwe gegevens kijken. Over een paar maanden weten we meer', meldt een medewerker van de onafhankelijke theoriegroep van het laboratorium, die goed is ingevoerd in het wel en wee van CDF. De groep zelf zwijgt sinds enige tijd als het graf.

Dat heeft de geruchtenstroom er niet minder op gemaakt. Niemand wil het hardop gezegd hebben, maar in de wandelgangen wordt gefluisterd dat de CDF-groep, met dezelfde analysetechniek als voorheen, sinds de zomer geen enkele nieuwe kandidaat voor een topquark-gebeurtenis heeft gevonden. Statistisch zou dat nog steeds kunnen. In de eerste serie hadden ze volgens velen meer dan gemiddeld geluk, en nu misschien wat minder. Maar rustiger maakt het de in april nog zo zelfverzekerde experimentatoren er niet op.

Maar minstens zo gespannen als de experimentatoren, kijken de theoretici naar het al dan niet opduiken van het zestiende bouwsteentje in de blokkendoos van Moeder Natuur. 'Als ze er niet in slagen hun aankondiging van april hard te maken, denk ik dat de top nog veel zwaarder is dan al het geval leek', zegt de Leidse hoogleraar theoretische natuurkunde prof. dr F. Berends, een specialist in deeltjesfysica.

'En dat zou buitengewoon interessant zijn, omdat dat aangeeft dat we volstrekt niet begrijpen wat er gaande is. Tot nog toe hebben alle experimenten, bij Fermilab en ook bij Cern in Genève, alleen maar aangegeven dat ons twintig jaar oude Standaardmodel onwaarschijnlijk goed werkt. Dat kan een triomf lijken, maar in wezen is het tamelijk onbevredigend, omdat er nog een hoge mate van willekeur in de theorie steekt. Er is bijvoorbeeld niets dat je vertelt waarom deeltjes de massa hebben die ze hebben.'

En die vraag - een echt nieuw waarom in de experimentele deeltjesfysica - heeft van de topquark al bijna een gepasseerd station gemaakt voordat hij echt gevonden is.

Afgelopen dinsdagmiddag zaten in een kamertje van het Nikhef, het instituut voor kernfysica en hoge-energiefysica aan de rand van Amsterdam, vijf heren achter een tafel met een gezicht alsof ze een sterfgeval hadden aan te kondigen. Het moet de enerverende week ervoor zijn geweest, want het tegendeel was waar.

Nederland, zei deeltjesfysicus prof. dr K. Gaemers, was ondanks alle ruzies tussen lidstaten, die eraan vooraf waren gegaan, opgetogen over het besluit van vrijdag om bij Cern in Genève een nieuwe Europese deeltjesversneller te gaan bouwen. De Large Hadron Collider, zeker tienmaal zo krachtig als de Amerikaanse Tevatron, komt in 2008 in bedrijf, na een investering van omgerekend vier miljard gulden.

Gaemers: 'Nu we de zestien leptonen, quarks en bosonen min of meer kennen, wordt het tijd dat we inzien hoe de natuur in één handgebaar nog even aan alles een massa heeft gegeven. De LHC gaat dat doen. Dat moge wat aanmatigend klinken, maar er hebben de afgelopen jaren zoveel mensen over nagedacht, dat de onwaarschijnlijkheid in die uitspraak klein is.'

Martijn van Calmthout