De schaduw van de top-quark - 21 mei 1994

'LAAT IK het zo zeggen: het is waarschijnlijker dat er wel iets is, dan dat er niets is. En wat er is, is consistent met wat je van een top-quark verwacht.' Theoreticus Walter Giele, een Nederlander die sinds enkele jaren verbonden is aan Fermilab bij Chicago, blijft op zijn hoede.

De recente bekendmaking dat een van de groepen in het lab bewijsmateriaal heeft gevonden voor de topquark, het laatste ontbrekende deeltje in het Standaard Model van de materie, kwam voor hem niet als een verrassing.

Een belangrijk deel van hun analyses was immers gebaseerd op zijn eigen theoretische werk. Ze liepen de laatste maanden zo ongeveer de deur bij hem plat. Een eervolle vermelding in de laatste alinea van de publikatie is daarvoor een vorm van dank, waar je mee kunt aankomen.

Top-quark-jagen is, de immense omvang van de deeltjesversneller en de huizenhoge detectoren van Fermilab ten spijt, voor een belangrijk deel theoretisch werk. De machines maken het mogelijk om protonen en anti-protonen tot de lichtsnelheid te versnellen, ze op elkaar te laten botsen en de botsingen in beeld te brengen.

Maar het waarnemen van de gebeurtenissen bij zulke botsingen vereist vooral heldere ideen over wat er zou kunnen gebeuren. Theoretici wringen het Standaard Model tot de laatste druppel uit om experimentatoren een idee te geven of ze iets ongewoons zien in hun waarnemingen, of niet.

Het Standaard Model is een in de jaren zeventig geformuleerde theorie voor de fundamentele eigenschappen van de materie. De theorie voorspelt het bestaan van twee families bouwstenen van de materie, zes quarks en zes leptonen, en verder zijn er nog vier deeltjes die de communicatie tussen de familieleden onderling onderhouden. De theorie is een bijna onwaarschijnlijk succes. Alle experimenten die ooit zijn gedaan, hebben de voorspellingen ervan bevestigd.

Het vermoeden dat er een zesde quark, de top of truth, moest bestaan, ontstond rond 1977. In dat jaar vonden fysici bij Fermilab een vijfde quark, de bottom. Uit symmetrie-overwegingen leek een zesde familielid onontkoombaar. Maar de laatste bouwsteen van de standaardtheorie bleek buitengewoon moeilijk in experimenten aan te tonen.

Een van de belangrijkste problemen bij het vinden van de top-quark is dat het deeltje zelf in principe niet waarneembaar is. Quarks komen volgens de theorie nooit in hun eentje voor. Als ze in een proces worden losgemaakt uit de trio's en duo's die ze van nature vormen, vallen ze ogenblikkelijk uit elkaar in allerlei andere deeltjes. Hooguit kunnen die restdeeltjes worden waargenomen als een soort schaduw. Circumstantial evidence, heet dat in politiejargon.

Giele, een benige, verlegen man die vrijwel dag en nacht is te vinden in zijn onopgesmukte kamer op de derde verdieping van de highrise, is wereldvermaard specialist in de vervalmogelijkheden van de top-quark. Voorspellingen van de mate waarin de verschillende mogelijkheden zich volgens de theorie voordoen, vereisen duizelingwekkend ingewikkelde en langdurige wiskundige exercities. Voor een aanzienlijk deel worden die overigens door krachtige computerprogramma's gedaan.

Bij een krachtige botsing vernietigt een proton een anti-proton en blijft er pure energie over. Daaruit kunnen allerlei deeltjes condenseren, als waterdruppels uit stoom. Die deeltjes vliegen alle kanten op. De kolossale detectoren van Fermilab sluiten daarom als een vuist om het punt in de versneller waar de deeltjes botsen. De apparaten zitten volgestouwd met materialen die gevoelig zijn voor langs vliegende deeltjes.

En van de mogelijke deeltjes zou kunnen bestaan uit de top-quark en een anti-top-quark, verenigd in innige omarming. Zo'n deeltje is instabiel, beide componenten vallen direct uiteen. Daarbij ontstaan bottom-quarks en zogeheten W-deeltjes, die meteen verder uiteenvallen in elektronen, muonen en bundels (jets) minder relevante deeltjes.

Alsof dat allemaal niet ingewikkeld genoeg is, laat de warrige wereld van de hoge-energiefysica zich bovendien nog eens niet gemakkelijk kennen. Uit de analyses blijkt dat de vervalprodukten van een topquark soms ook kunnen ontstaan in processen die helemaal niets te maken hebben met de vorming van topquarks.

Het is aan experts als Giele om te voorspellen hoeveel van zulke achtergrondruis er verwacht mag worden bij nauwkeurig omschreven botsingen tussen protonen en anti-protonen. 'Een behoorlijke verantwoordelijkheid, om te helpen beslissen tussen wat normaal is en wat niet', zegt hij droogjes.

De resultaten die de groep van de CDF-detector eind april in een artikel voor Physical Review neerschreef, geven aan hoezeer op het scherp van de snede is geopereerd. Miljarden geanalyseerde botsingen hebben in totaal negen serieuze kandidaten voor een top-quark-gebeurtenis opgeleverd. Twee daarvan zijn van een type dat in theorie ongeveer een half keer had moeten optreden. Van de overige zeven kunnen er naar schatting drie ook achtergrondruis zijn.

Opwindende resultaten, zegt Giele, zeker voor theoretici. De analysetechnieken die bij het opsporen van de kandidaten zijn gebruikt, lijken perfect te werken, maar ze vergen zeker nog nadere verfijning.

Toch is het succes van de experimentatoren van het lab voor de theoretici in feite een teleurstelling. Verreweg de fraaiste uitkomst van de experimenten zou het uitblijven van een resultaat zijn geweest. 'Wanneer men er niet in zou slagen een top-quark te vinden, dan zou ons hele beeld van de elementaire deeltjesfysica op de helling moeten. Dat is natuurlijk de grootste uitdaging die je je maar kunt denken.'