De elementaire deeltjes van de wereld van het atoom
EEN heel leger detectives van allerlei nationaliteiten jaagt op een haast ongrijpbare prooi — een prooi die een meester is in vermommingen en snelle ontsnappingen. Aanwijzingen zijn er genoeg: de aangetroffen sporen vertellen hun verhaal; men kent de „modus operandi” en er zijn zelfs foto’s. De achtervolgers brengen steeds betere detectie-apparatuur in de strijd, maar de gezochten schijnen alleen maar steeds ongrijpbaarder en onzichtbaarder te worden.
Men zit niet achter de Grote Baas aan; men wil de kleintjes te pakken krijgen — ja, de allerkleinsten. Deze detectives zijn atoomgeleerden, en de zaak waaraan zij bezig zijn, is de speurtocht naar het elementaire deeltje, de bouwsteen van het stoffelijke universum.
Dit onderzoek loopt al ten minste vanaf de vierde eeuw v.G.T. Griekse filosofen gaven zich in die tijd over aan bespiegelingen omtrent het effect van herhaalde en opeenvolgende delingen van de materie. Zij kwamen tot de slotsom dat dit niet tot in het oneindige kon doorgaan; uiteindelijk zou men op een ondeelbaar stukje materie stuiten. Democritus komt de eer toe als eerste het woord „atoom” te hebben bedacht om daarmee dat kleinste deeltje materie te beschrijven. Maar in de 20ste eeuw concentreren alle inspanningen zich op de vraag uit welke deeltjes het atoom zelf nu weer bestaat.
De eerste „elementaire deeltjes” worden gevonden
J. J. Thomson ontmaskerde de identiteit van het elektron in 1897. Hij ontdekte dat een elektrische stroom uit grote aantallen van deze deeltjes bestaat. Elektronen zijn zo klein dat er in één seconde 6.000.000.000.000.000.000 door een gloeilamp van 100 watt gaan. Elektronen zijn nog het minst ongrijpbaar van alle elementaire deeltjes — het zijn net wispelturige zwervers die zich alleen al door wrijving gemakkelijk van de ene plaats op de andere laten overbrengen. Wanneer u over een vloerkleed loopt, kunnen uw schoenen miljoenen elektronen oppikken, die zich over uw hele lichaam verspreiden om zich dan weer te verzamelen en hals over kop in de vorm van een vonk van uw vinger af door de lucht te springen wanneer u naar een lichtschakelaar reikt.
In 1911 toonde Ernest Rutherford aan dat alle positieve lading van het atoom en het grootste deel van zijn massa zich in een gebiedje bevindt dat 1/10000 van de grootte van het atoom beslaat. Dat leidde tot het populaire beeld dat de meesten van ons van het atoom hebben: een kleine centrale kern die omringd is door snel bewegende elektronen die er in banen omheen zwermen als bijen om een korf.
Tegen 1932 had men ontdekt dat de kern bestond uit protonen en neutronen. Protonen dragen de positieve lading van het atoom — exact gelijk in grootte maar tegengesteld van teken ten opzichte van de negatieve lading op het elektron. Het proton is ongeveer 1800 maal zo zwaar als het elektron, ongeveer dezelfde verhouding als een ijskast ten opzichte van een biscuitje. Het neutron is maar iets zwaarder dan het proton, en draagt geen lading. In de jaren ’40 hadden experimenten en theorie het bestaan onthuld van nog meer deeltjes die in de kern een rol spelen. Het beeld dat de geleerden zich in gedachten van de kern hadden gevormd, werd heel wat ingewikkelder.
Detectiemethoden
Natuurkundigen „zien” deeltjes door te bekijken wat er achterblijft na hun wisselwerking met materie. Deze interacties zouden vergeleken kunnen worden met het spoor van een ondeugend kind dat de hele buurt verstoort door dwars door de bloemperken te hollen en vuilnisbakken omver te lopen. Na een tijdje kunnen de buurtbewoners in de achtergelaten sporen een bepaald patroon herkennen en de schuldige identificeren. Een geladen deeltje dat zich los van zijn „huis”, zijn atoom, beweegt, heeft wel iets weg van een kind dat in een dolle bui overal doorheen stormt. Het botst tegen andere atomen, slaat hun elektronen los en laat een kielzog van geladen atomen achter zich.
De nevelkamer was een vroege deeltjesdetector. Geladen deeltjes laten nevelsporen in het vat achter omdat zich kleine condensdruppeltjes vormen aan de door het passerende deeltje verstoorde atomen, op soortgelijke wijze als het spoor van een op grote hoogte vliegend straalvliegtuig. Algemener zijn tegenwoordig de bellenvaten, waarin men gebruik maakt van een zich tegen het kookpunt bevindende vloeistof als het medium waarin een spoor van kleine belletjes het pad van een deeltje aangeeft.
Ontsnappingsexperts
De deeltjes bewegen zich met enorme snelheden. Het foton deelt het snelheidsrecord aller tijden met het neutrino en het graviton. Geen van drieën bezit massa en daarom verplaatsen deze deeltjes zich met de lichtsnelheid (300.000 km/sec), een snelheid die hen in één seconde meer dan zevenmaal rond de aarde zou voeren.
Deeltjes die wel massa bezitten, kunnen de lichtsnelheid dicht benaderen maar toch nooit helemaal bereiken. De maximumsnelheid van een elektron in zijn baan rond de kern is in feite ongeveer een tiende van de lichtsnelheid. Die snelheid verhoudt zich tot die van de snelste deeltjes als de snelheid van een auto op de snelweg tot die van een supersoon straalvliegtuig.
Artiesten die snel van uiterlijk kunnen veranderen
De tijd dat een deeltje bestaat, wordt zijn levensduur genoemd. Elektronen en protonen zijn stabiel, wat een andere manier is om te zeggen dat hun levensduur oneindig is. Maar de meeste deeltjes „leven” slechts een heel korte tijd. Het muon bijvoorbeeld, een deeltje dat geproduceerd wordt door de wisselwerking van kosmische stralen met de bovenste laag van de atmosfeer, heeft een gemiddelde levensduur van twee miljoenste van een seconde. Wanneer het „sterft”, verschijnen plotseling een elektron en twee neutrino’s in zijn plaats. Dit zou vergeleken kunnen worden met een bankrover die, uit het bankgebouw komend, nog een paar stappen doet en dan op wonderbaarlijke wijze verandert in drie verschillende personen die in verschillende richtingen weghollen.
Deze plotselinge identiteitswisselingen hebben de geleerden heel wat problemen bezorgd bij hun pogingen kortlevende deeltjes te bestuderen. In een paar miljoensten van een seconde na zijn vorming kan een deeltje uiteenvallen in twee of meer andere kleinere deeltjes, die op hun beurt in weer andere en nog kleinere deeltjes kunnen veranderen. Dit proces zet zich voort totdat het stabiele deeltjes voortbrengt. Wanneer een deeltje zijn identiteit verandert, noemt men dat „verval”. Maar waarom zijn het elektron en het proton de enige deeltjes met massa die niet vervallen? Vanwege de zogeheten behoudswetten.
Behoudswetten
Eenvoudig gesteld zegt een behoudswet dat als een behouden grootheid vóór een gebeurtenis wordt gemeten, die grootheid na die gebeurtenis dezelfde totale waarde moet hebben.
Stel u bij wijze van illustratie een complex van vier tennisvelden voor, dat omgeven is met een hoge afrastering die de ballen binnenhoudt. Wanneer de spelers komen, geven wij elk stel spelers tien volkomen gelijke ballen en vertellen hun dat zij zich er geen zorgen over hoeven te maken waar de ballen blijven waarmee zij beginnen te spelen. Terwijl tegelijkertijd verschillende partijen aan de gang zijn, zullen de ballen ook wel in aangrenzende velden terechtkomen en ook daar gebruikt worden. Sommige ballen worden misschien uiteindelijk door alle spelers gebruikt. Nadat alle partijen zijn afgelopen, verzamelen wij de ballen. Wij verwachten hetzelfde aantal ballen terug te vinden als wij in het begin hebben uitgedeeld. Zijn het er minder, dan zouden wij concluderen dat er ballen over de afrastering moeten zijn gevlogen of dat ze toch nog ergens op de grond liggen of door de spelers zijn meegenomen. Er is geen andere zinnige verklaring; tennisballen lossen niet in lucht op. Er geldt hier een ’wet van behoud van tennisballen’.
Behoudswetten regeren de fysieke wereld. Er kan niets gebeuren dat in strijd is met een behoudswet: onder de burgers van de wereld van de elementaire deeltjes zijn geen wetsovertreders.
Het elektron is stabiel vanwege een behoud van massa en elektrische lading. Het is het lichtste geladen deeltje. Er bestaan lichtere deeltjes dan het elektron maar die zijn alle onveranderlijk neutraal, dat wil zeggen, ze zijn ongeladen. Als het elektron in een van deze lichtere deeltjes zou moeten vervallen, zou het zijn lading moeten kwijtraken, maar dat kan het niet omdat dat tegen de wet van behoud van lading indruist. Het kan niet in zwaardere geladen deeltjes vervallen omdat hierdoor de wet van behoud van massa geschonden zou worden — even onmogelijk als een brood van 800 gram in boterhammen op te snijden en dan een kilo boterhammen te krijgen. De elektron kan dus niet vervallen omdat het eenvoudig ’nergens heen kan’.
Het proton is stabiel omdat het een andere behoudswet zou moeten overtreden om te vervallen. Een neutron daarentegen is stabiel zolang het tegen een proton kan opkruipen. Plaats een neutron in ’eenzame opsluiting’. en het vervalt in ongeveer 15 minuten.
Kenneth Ford beklemtoonde in zijn boek The World of Elementary Particles de belangrijkheid van behoudswetten op deze manier: „De ’normale’ gang van zaken is dat een deeltje vervalt en in andere lichtere deeltjes overgaat. Om redenen die niet volledig begrepen worden, zijn er twee ’abnormale’ deeltjes, het proton en het elektron, die niet kunnen vervallen. Volgens deze bredere kijk op de deeltjes zijn er bepaalde natuurwetten (behoudswetten) die nu toevallig het verval van deze twee deeltjes verbieden. Door dit toeval is de opbouw van de stoffelijke wereld mogelijk.
Aangezien er maar één universum is en één stel natuurwetten, heeft het natuurlijk niet veel zin om te zeggen dat een speciale toestand in de wereld krachtens toeval bestaat. Maar deze kijk op de veelvuldigheid van deeltjes levert weer een bijdrage aan het proces dat al met Copernicus begonnen is: Hoe meer de mens met het ontwerp in de natuur geconfronteerd wordt, des te nederiger stemt dit hem. Wij en onze wereld bestaan bij de gratie van zekere behoudswetten die een paar deeltjes stabiel maken en de mogelijkheid creëren dat een ordelijke structuur gebouwd wordt op de normale chaos van de submicroscopische wereld.”
Behoudswetten voorspellen het „neutrino”
Vroege experimenten in de studie van subatomaire deeltjes deden veronderstellen dat het neutron verviel op een manier die in strijd was met behoudswetten. Onderzoekers merkten op dat als een neutron in een proton en een elektron verviel, de impuls en de energie na het verval veel minder waren dan ze vóór het verval waren geweest. Aangezien het hier om behouden grootheden gaat, schenen in dit geval de behoudswetten geschonden te worden. Kernfysici konden deze gevolgtrekking niet aanvaarden.
Om deze behoudswetten te redden, vonden de theoretici het neutrino uit en begiftigden dat met alle eigenschappen die het nodig had om een onafscheidelijke partner in het vervalproces van het neutron te kunnen zijn. Het kon niet worden „gezien”, maar de aanname van zijn bestaan was een produkt van het geloof van de geleerden in de behoudswetten waarop zij hadden leren vertrouwen.
Na 25 jaar het neutrino op basis van geloof te hebben aanvaard, kregen de geleerden het in 1956 te pakken. Geen wonder dat het zo ongrijpbaar was; het heeft geen lading en geen massa en beweegt zich met de snelheid van het licht. Neutrino’s gaan zo zelden interacties met materie aan dat de meeste even gemakkelijk dwars door de aarde heen gaan als een kogel door een papieren zakdoekje. Bij één poging om zekerheid te krijgen over het bestaan van het neutrino, stuurden onderzoekers een berekende hoeveelheid van 100.000.000.000.000 neutrino’s door 13 meter ijzer heen naar een detectie-apparaat dat inderdaad nog de vangst van 29 neutrino’s registreerde. Dit valt te vergelijken met een experiment waarbij de hele wereldbevolking een klein kamertje met een weegschaal passeert, met als enig resultaat dat er slechts één ons aan gewicht wordt geregistreerd.
Classificatieschema’s
Tegen 1960 waren er zoveel deeltjes opgedoken dat geleerden zich konden voelen als schipbreukelingen die waren aangespoeld op een eiland met een grote rijkdom aan nooit eerder waargenomen dierenleven. In een poging wat orde te scheppen in de verscheidenheid van de deeltjesbevolking, classificeerden de natuurkundigen de deeltjes in groepen die waren gebaseerd op overeenkomsten in eigenschappen — op een soortgelijke wijze als een bioloog verschillende dieren zou indelen in zoogdieren, reptielen, enzovoort.
De zwaardere deeltjes worden hadronen genoemd. Extra zware deeltjes heten baryonen. De baryonen (protonen, neutronen, enzovoort) zijn de „olifanten” van de subatomaire deeltjes-dierentuin. De lichtere hadronen worden mesonen genoemd (pionen, kaonen, enzovoort) en zijn meer van de grootte-orde van „tijgers”. Leptonen (elektronen, muonen, neutrino’s) zijn dan de „insekten” van de deeltjeswereld.
Het werkelijke systeem is niet gebaseerd op grootte en gewicht maar op de waarschijnlijkheid dat leden van iedere klasse een reactie met elkaar aangaan. Olifanten hebben met andere olifanten op een andere manier contact dan met insekten. Ja, insekt en olifant merken elkaar misschien helemaal niet op, behalve wanneer een olifant een blad naar binnen staat te werken waarmee een insekt al zijn middagmaal zit te doen. De met olifanten te vergelijken hadronen ontmoeten elkaar in wat de sterke wisselwerking wordt genoemd. De met insekten te vergelijken laptonen zijn volkomen blind voor de sterke wisselwerking: wat kan het een sprinkhaan schelen als twee olifanten vechten? Maar geladen leptonen zijn gevoelig voor de elektromagnetische wisselwerking en ze zullen met de hadronen in wisselwerking treden volgens de regels van deze soort van interactie, net zoals beide dieren het zullen merken als het kleinste dier het grotere dier in het oog vliegt.
Bestaat er een nog „elementairder” deeltje?
Ongeveer 300 deeltjes, meest hadronen, zijn er nu ontdekt sinds de mens is begonnen door te dringen in het atoom en het uit elkaar te halen. De leptonen schijnen echt „elementair” te zijn — dat wil zeggen, ze hebben geen onderscheidbare grootte en schijnen geen inwendige structuur te bezitten. Bovendien zijn er slechts zes leptonen bekend, een mooi klein aantal dat eenvoud suggereert. Hadronen zijn niet zo eenvoudig. Ze hebben een meetbare grootte en hun aantal loopt in de honderden. Wanneer een hadron vervalt, komen uit de brokstukken andere hadronen te voorschijn schieten.
In de jaren ’60 kwamen Murray Gell-Mann en George Zweig met de veronderstelling van een nieuw deeltje, de quark. Hun theorie luidde dat alle hadronen opgebouwd waren uit twee of drie quarks in een of andere combinatie. Door hun theoretische quarks bepaalde eigenschappen toe te kennen, konden Gell-Mann en Zweig alle bekende nucleaire deeltjes (hadronen) verklaren als te zijn opgebouwd uit slechts drie verschillende quarks, een „op”, „neer” en „vreemd” quark. Een extra winstpunt van de theorie was de voorspelling van een voordien nog niet ontdekt deeltje dat later werd geproduceerd en de verwachte eigenschappen bleek te bezitten. Dit vormde een sterk argument ten gunste van de theorie. Recente experimenten wekken nu sterk de indruk dat er nog drie andere soorten quarks bestaan, die „tover”, „waarheid” en „schoonheid” gedoopt zijn.
Ten tijde van het schrijven van dit artikel zijn individuele quarks nog niet definitief aangetoond; sommigen denken dat ze nooit geïsoleerd zullen worden. Maar quarks vormen een hechte theoretische basis voor alle deeltjesfysici. Net als met het neutrino geloven de geleerden erin zonder ze te zien, omdat ze gebruikt kunnen worden om te voorspellen wat de waarneembare deeltjes van het atoom onder bepaalde omstandigheden zullen doen.
Zal het aantal quarks waarop de huidige theorie gebaseerd is, ook in de toekomst voldoende blijken te zijn om nieuwe deeltjes te verklaren die nog ontdekt zullen worden? Zullen er nog meer quarks ontmaskerd worden? Zal er ooit een quark geïsoleerd worden? Zijn de quarks werkelijk de uiteindelijke „elementaire deeltjes” van de kern van het atoom? Als dat niet het geval is, waaruit bestaat een quark dan?
„Waar bestaat het uit?” wordt misschien nooit volledig beantwoord. Iedere keer dat men weer een stap verder in de materie is doorgedrongen, lijkt het zogenaamde „elementaire deeltje” weer uit iets eenvoudigers te zijn gemaakt. (Nu praat men al over „gluonen”.) Zal de speurtocht nooit eindigen? Het is mogelijk dat onze nieuwsgierigheid nooit volledig bevredigd zal worden. Voor sommigen schijnt dat vooruitzicht eerder een sterke aantrekkingskracht uit te oefenen dan dat het ontmoedigend werkt. Zij denken erover zoals de apostel Paulus: „O de diepte van Gods rijkdom en wijsheid en kennis! Hoe ondoorgrondelijk zijn zijn oordelen en hoe onnaspeurlijk zijn wegen!” — Rom. 11:33.