Deeltjesjacht op de prairie

21 mei 1994
MARTIJN VAN CALMTHOUT

Vorige maand meldden fysici van Fermilab bij Chicago dat ze een glimp van de top-quark hadden gezien. Daarmee zou de moderne deeltjestheorie compleet zijn. Maar terwijl de auteurs van het spraakmakende nieuws hun vermoeidheid proberen te overwinnen, zint de concurrentie anderhalve mijl verderop op genoegdoening.

(foto)

De CDF-detector bij de montage. FOTO FERMILAB

HET IS VOORJAAR op de prairie ten oosten van Chicago waar Fermi National Accelerator Laboratory is gevestigd, en het broeit. Ganzen staan lusteloos midden op de asfaltwegen die het parkachtige versnellercomplex doorsnijden en weten van geen wijken. Loom kauwende bizons liggen dicht tegen elkaar roerloos in hun weide.

Pal boven de rand van de highrise, het vijftien verdiepingen tellende hoofdgebouw van Fermilab, dat als een kathedraal boven de groene vlakte uittorent, bidt een roofvogel. Zijn prooidieren, duiven, die hij bij voorkeur op de vensterbank van de geschokte Fermilab-staf uit elkaar plukt, laten zich niet zien vandaag.

In een van de witte trailers op het parkeerterrein van de CDF-deeltjesdetector krijgt Tony Liss van de universiteit van Illinois in Urbana zijn vermoeide blik nauwelijks van zijn laptop-computer. Het jongensachtige uiterlijk van de hoogleraar heeft grauwe vegen van langdurig genegeerde vermoeidheid. Hij beweegt behoedzaam, alsof hij spierpijn heeft.

Sinds op 26 april het artikel met de eerste concrete aanwijzingen voor het bestaan van de top-quark is ingediend bij het tijdschrift Physical Review D, is er enige rust ingetreden. Maar verder is hij vooral moe. Exhausted.

Uitputting na zes maanden beestachtig hard werken aan een van de meest gewaagde en complexe analyses die ooit in de moderne natuurkunde zijn gemaakt. Uit de studie van miljarden krachtige botsingen tussen protonen en anti-protonen destilleerden de fysici een handvol gebeurtenissen, die op het bestaan van een top-quark lijken te duiden. Liss heeft net bericht dat de redactie het artikel in goede orde heeft ontvangen. Dat is alvast wat, zegt hij, terwijl we door het overbevolkte doolhof van piepkleine kantoren dwalen, op zoek naar een plaats om te praten.

Liss: 'Ongeveer vorig jaar zomer wisten we dat we met onze detector iets zagen gebeuren dat heel misschien relaties had met de top- quark. Maar het was subtiel, het knalde er niet uit. We moesten onszelf overtuigen dat het was wat we dachten. Het kost zelden moeite vreemde effecten te vinden, maar vervolgens moet je bedenken wat irrelevante achtergrond is, en wat belangrijk. Zoiets kost maanden. De lol, de opwinding, slijten er op den duur wel af.'

Liss is één van de ongeveer acht hoofdauteurs van het dik honderdvijftig pagina's tellende artikel Evidence for top

quark production van de CDF-groep. Formeel is het stuk geschreven door alle pakweg vierhonderd quarkjagers van het CDF-experiment, wier namen alleen al twee bladzijden van het artikel beslaan.

Veel van de eindeloze beraadslagingen van het afgelopen halfjaar waren erop gericht om al die mensen op dezelfde lijn te krijgen, zegt Liss. Om ze te overtuigen van de geldigheid van alle stapjes in de analyses van meetgegevens, ze te bedienen met acceptabele formuleringen.

'In dit soort samenwerkingen is het samen uit, samen thuis, ook al is slechts een klein deel van de groep echt bezig met de top-quark. Maar het valt niet mee, iedereen op een lijn te houden bij een publikatie met zulke implicaties.

'Er gaan grote hoeveelheden sociologie zitten in dit soort exercities.' Dat die honderden fysici ook nog ruim dertig verschillende, vaak concurrerende universiteiten uit de Verenigde Staten, Italië en Japan vertegenwoordigen, maakte het allemaal niet eenvoudiger.

Deze vrijdagmiddag is het rustig in de controlekamer van de CDF-detector, een tonnen wegend apparaat dat in de kelders achter dikke betonnen muren is opgebouwd rond de plaats waar bundels protonen en anti-protonen van de grote versneller botsen. Overal in het brede ondiepe vertrek staan en hangen monitoren en steken bossen snoer uit rekken vol elektronica, controlelampjes flakkeren aan en uit.

In luie bureaustoelen hangen ongeïnspireerde fysici, de meesten met slechts een vage blik op hun scherm, berustend in hun lot dat day shift heet. Nu en dan gaat er een telefoon. Iemand draait aan een knop. Belt terug. Het menu van de afhaal-Mexicaan gaat rond.

Gulio Bellettini, een fysicus van middelbare leeftijd op hagelwitte Nikes, die de Italiaanse deelname aan CDF leidt, negeert de landerigheid om hem heen. Verbeten staart hij naar de kleurige cirkeldiagrammen die hij een jonge student op een computermonitor laat toveren. Vlugger! Ja, nee, die vorige... nee, wacht. Ja die!

Het zijn de events van de laatste dagen, gebeurtenissen bij botsingen van protonen en anti-protonen, die interessant genoeg leken om ze in het computersysteem op te slaan. Bellettini's vinger priemt naar twee rode streepjes die uit het midden van de cirkel naar buiten wijzen temidden van waaiers lichtblauwe en witte spaken. Zou dat niet...? Een collega tuurt langdurig van het ene naar het andere scherm en schudt dan het hoofd. Nee, dus, deze niet. Bellettini monkelt, haalt diep adem. Volgende!

Twee mijl verderop langs de cirkelvormige dijk waaronder de krachtigste deeltjesversneller ter wereld ligt, de Tevatron, staat een lichtblauwe rechthoekige hal in het groene vlakke landschap. Hier bij D0 - DeeZero - bevindt zich de enige concurrentie van CDF ter wereld.

Sinds anderhalf jaar is ook hier een detector geïnstalleerd waarmee kan worden bestudeerd wat er gebeurt als een proton en een antiproton uit de Tevatron met immense kracht op elkaar worden geschoten. De metingen van beide onafhankelijke groepen zouden vergelijkbaar moeten zijn. Maar toen CDF eind april de glimp van de top-quark meldde, had D0 geen vergelijkbare waarnemingen.


Spokesperson Hugh Montgomery voor het D0-experiment beent met grote stappen over de serviceweg tussen de versnellerring en de ringgracht met koelwater. Het zonlicht is oogverblindend fel. Montgomery, Brit van origine, steekt de elders zo streng verboden sigaretten hier in de buitenlucht in hoog tempo na elkaar op. De oranje CDF-hal is over het water net tussen de bomen door zichtbaar.

Beoordelen van de resultaten van de overkant is niet aan hem, al had zijn groep al weken een review-team paraat toen eenmaal duidelijk was dat CDF ging publiceren. Wat CDF heeft, is interesting, maar D0 is vooral verantwoordelijk voor correcte analyses van de eigen metingen. De data zijn natuurlijk gericht nagevlooid op iets soortgelijks als zij hebben. Maar een echt verantwoorde analyse, dat zal waarschijnlijk deze nazomer worden, verwacht hij. Het is dubbel oppassen, alle ogen zijn op D0 gericht voor verificatie. Of falsificatie.

'Ik hoop dat ze gelijk hebben. Wij zouden een dergelijk resultaat ook hebben gepubliceerd. Alleen zouden we waarschijnlijk wel wat bescheidener zijn geweest. Je kunt niet eerst bewijzen voor de top-quark aankondigen en dat al meteen in je samenvatting weer relativeren.'

Het gerucht, dat hij zich fel zou hebben verzet tegen de grootscheepse persconferentie rond de CDF-publikatie, wil hij niet bevestigen. Hij grijnst, zwijgt langdurig. Zegt: 'Het is een voorrecht om met belastinggeld te mogen werken. Het is onze plicht te laten weten wat daarmee gebeurt. Maar we vonden het ver gaan om met dit onheldere resultaat - bewijs, maar geen waarneming - de pers te alarmeren.' Weer die grijns.

0O FFICIEEL BESTAAT er geen discrepantie tussen de resultaten van CDF en D0, zegt staf-voorlichter Judy Jackson van Fermilab. 'De zaak is consistent. Het is allemaal een kwestie van statistiek, van zeldzame processen die zich toevallig voordoen. Of niet. In die zin heeft CDF waarschijnlijk geluk gehad, en D0 nu juist niet. De metingen gaan door. Er komen vanzelf genoeg events boven tafel om te zien wat er gaande is.'

Maar Montgomery van D0 lijkt ongelukkig met een statistische opvatting die de kool en de geit spaart. Hij wil geen excuses, maar fysica. 'Je kunt wel zeggen dat het een kwestie is van hun geluk en onze pech, maar dat betekent niet dat er geen vergissingen of verkeerde interpretaties in het spel zijn. Dat moet nog maar blijken.'

En Marcel Demarteau, een Nederlandse fysicus die sinds enkele jaren aan het D0-experiment bij Fermilab verbonden is: 'Je hoopt werkelijk dat ze goed beseffen wat ze hebben ontketend. Als dit na alle poeha toch niet waar blijkt te zijn, is het de nekslag. Voor CDF, maar ook voor Fermilab en voor de hele hoge-energiefysica. Een vergissing zou een ramp betekenen.'

Maar in de assemblagehal van CDF schuift Claudio Campagneri met een dampende hamburger aan bij het gezelschap rokers, dat hier drie vierkante meter bewegingsvrijheid heeft gekregen. De rijzige Italiaan kan zijn geluk nog steeds niet op, op het juiste moment op de juiste plaats te zijn. 'Hoe vaak', zegt hij met glimmende ogen, 'komt het nu helemaal voor dat je zo'n fundamentele kwestie uit de leerboeken als het bestaan van een deeltje kunt beslissen? We moeten voorzichtig zijn, maar die top-quark die is er, je kunt hem voelen.'

Het lange artikel van de CDF-groep over haar jacht op de top-quark is buitengewoon taaie kost, zelfs voor vakgenoten. Ook twee weken nadat het manuscript begon te circuleren, blijken vele collega's er nog niet doorheen. Niettemin begint de vaktechnische kritiek geleidelijk los te komen. CDF, heet het, zou te veel aan wishfull thinking hebben gedaan. Zou uit alle hoeken en gaten bevestiging voor een vaag vermoeden hebben gehaald. Zou effecten die daardoor elders uitbleven, goeddeels hebben genegeerd.

'Er is daar een hoop gemasseerd', constateert een D0-medewerker droogjes aan de lunch in de highrise. Aan de omringende tafeltjes in het cafetaria gaat het boven de hot plates en frozen yoghurt over weinig anders dan top-quarks. Het CDF-volk, officieel gebonden aan een geheimhoudingsplicht, moet hier de laatste maanden geregeld de tong hebben afgebeten.

In de inmiddels snikheet geworden trailers op het parkeerterrein van CDF is Brian Winer van de universiteit van Rochester, een andere sleutelfiguur in de jacht op de top-quark, nadrukkelijk not impressed door de kritiek. De analyses staan als een huis, zegt de piepjonge en bijna arrogant zelfverzekerde postdoc, en wie anders denkt, moet het maar hard maken.

'Zelfs als we geen idee hadden gehad dat er een top-quark moet bestaan, zouden we nu bij CDF iets onregelmatigs hebben gevonden. Ik denk dat we hoe dan ook na verloop van tijd een opmerkelijke paper hadden gepubliceerd. Zij het waarschijnlijk wel met een andere titel.'

Postdoc Eric Laenen, een Nederlands theoreticus die al jaren in de Verenigde Staten en nu bij Fermilab werkt, wil best geloven dat men echt de eerste glimp heeft gezien. Maar laat men voorzichtig blijven. 'Er is bijvoorbeeld een getal voor de enorme massa die een top-quark zou moeten hebben. Daarvoor zijn al eerder schattingen gemaakt, en die hebben zeker in ieders gedachten meegespeeld. Hun massa klopt precies met die schattingen. Maar als je goed leest, zie je dat dat een waarschijnlijkheid heeft van nog geen kwart procent.'

Het is inmiddels zaterdagmorgen. Buiten draaien de eerste rolschaatsers verbeten rondjes op de ringweg binnen de versnellerdijk. Er verschijnen gehelmde fietsers in het parklandschap, men vist, jogt, picknickt. De autoradio meldt files vanuit Chicago de voorsteden in.

In haar hoekje in de kantoortuin op de tweede etage van de highrise, heft stafvoorlichter Judy Jackson de handen ten hemel. Is het waar dat de persconferentie over de top-quark ongeveer samenviel met de budgetbesprekingen voor grote wetenschappelijke projecten in Washington? De publiciteit rond de publikatie van de CDF-groep is ècht geen politiek spelletje. 'Als het iets was, dan was het stom geluk. Geluk dat CDF iets vond. Geluk, dat ze net nu klaar waren.'

Peter Limons dinerparty is die avond al een aantal uren oud als de gastheer, een door de wol geverfd detectorbouwer in dienst van CDF, dichterbij komt staan dan Amerikanen gewoonlijk doen. Hij is flink aangeschoten, maar eist tot schrik van de omstanders dat de verslaggever het volgende noteert. Dat die lui bij D0 - vergis je niet, hij heeft er veel vrienden - maar dat die lui dus niet moeten kletsen. Dat hun detector, wat ze ook zeggen, helemaal niet beter is dan de zijne. 'They lost, we won, that's all there is to it.'

Martijn van Calmthout