De dierentuin van de deeltjes breidt zich uit
In het begin van de jaren veertig leek het erop dat de fysici de fundamentele deeltjes en hun interacties onder de knie kregen. Zij kenden elektronen, protonen en neutronen, maar ook neutrino’s en zelfs positronen, de “antideeltjes” van elektronen die Paul Dirac in de jaren twintig had voorspeld. Zij begrepen dat er krachten waren buiten de zwaartekracht en het elektromagnetisme, de sterke en zwakke kernkrachten, en werkten aan een beter begrip daarvan.
Maar er doken raadsels op toen onverwachte nieuwe deeltjes verschenen. Natuurkundigen ontdekten muonen in kosmische straling met behulp van een wolkenkamerexperiment in 1936. (De naam “wolkenkamer” komt van het feit dat elektrisch geladen deeltjes die door waterdamp reizen kleine wolksporen vormen in hun kielzog). In 1947 werden op soortgelijke wijze pionen gevonden.
In datzelfde jaar maakten Butler en Rochester bekend dat zij deeltjes hadden gevonden die zij V+ en V0 noemden. Uit een reeks “ongebruikelijke vorkjes” in hun gegevens leidden zij het bestaan af van twee vrij massieve deeltjes, het ene positief geladen en het andere neutraal, die in andere deeltjes waren uiteengevallen.
De deeltjes hadden een aantal merkwaardige kenmerken. Ten eerste waren ze zwaar – ongeveer vijf keer de massa van een muon – wat tot een ander raadsel leidde. Normaal gesproken hebben zwaardere deeltjes een kortere levensduur, wat betekent dat ze minder lang blijven bestaan voordat ze in andere, lichtere deeltjes vervallen. Maar naarmate de experimenten vorderden, ontdekten de onderzoekers dat de deeltjes, ondanks hun gewicht, een relatief lange levensduur hadden.
Een andere vreemde eigenschap: De deeltjes waren gemakkelijk te maken, maar natuurkundigen schenen nooit in staat te zijn er slechts één tegelijk te produceren. Door bijvoorbeeld een pion en een proton tegen elkaar te laten botsen, kon je de nieuwe deeltjes maken, maar alleen in paren. Tegelijkertijd konden ze onafhankelijk van elkaar vervallen.
Een vreemde nieuwe wereld
In de jaren vijftig bedachten Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais en anderen een manier om een aantal van de merkwaardige gedragingen te verklaren die kaonen en andere nieuw ontdekte deeltjes vertoonden. Het idee was dat deze deeltjes een eigenschap hadden die “vreemdheid” werd genoemd. Tegenwoordig beschouwen natuurkundigen vreemdheid als een fundamenteel kwantumgetal dat met een deeltje wordt geassocieerd. Sommige deeltjes hebben een vreemdheid gelijk aan nul, maar andere deeltjes kunnen een vreemdheid hebben gelijk aan +1, -1, of in principe elk ander geheel getal.
Belangrijk is dat de vreemdheid constant moet blijven wanneer deeltjes worden geproduceerd door middel van sterke kernkrachten, maar niet wanneer zij vervallen door middel van zwakke kernkrachten.
In het bovenstaande voorbeeld, waarin een pion en een proton op elkaar botsen, hebben die beide deeltjes een vreemdheid gelijk aan 0. Bovendien wordt die interactie beheerst door de sterke kracht, zodat de vreemdheid van de resulterende deeltjes ook tot nul moet worden opgeteld. De producten zouden bijvoorbeeld een neutraal kaon kunnen zijn, dat vreemdheid 1 heeft, en een lambda deeltje, dat vreemdheid -1 heeft, waardoor de vreemdheid van het kaon teniet wordt gedaan.
Dat verklaart waarom vreemde deeltjes altijd in paren verschijnen – de vreemdheid van het ene deeltje moet teniet worden gedaan door die van het andere. Het feit dat ze worden opgebouwd door sterke wisselwerkingen, maar vervallen door zwakke wisselwerkingen, die meestal langer duren om uit te spelen, verklaarde de relatief lange vervaltijden.
Deze waarnemingen leidden tot verschillende meer fundamentele inzichten, zegt Jonathan Rosner, een theoretisch fysicus aan de Universiteit van Chicago. Toen Gell-Mann en collega’s hun theorie ontwikkelden, zagen ze dat ze groepen deeltjes konden organiseren in groepen die aan elkaar verwant waren door vreemdheid en elektrische lading, een schema dat tegenwoordig bekend staat als De Achtvoudige Weg. Pogingen om deze organisatie te verklaren leidden tot de voorspelling van een onderliggende groep deeltjes: quarks.
Het lang en kort
Een ander belangrijk kenmerk van de vreemdheidstheorie: Toen wetenschappers ontdekten dat vreemde kaonen konden vervallen in bijvoorbeeld gewone pionen, veronderstelden zij dat de zwakke kerninteractie, in tegenstelling tot de sterke kerninteractie, de vreemdheid niet constant hoefde te houden. Deze observatie zette een reeks van theoretische en experimentele ontwikkelingen in gang waar natuurkundigen vandaag de dag nog steeds mee worstelen.
Voortbouwend op theorieën die suggereerden dat het neutrale kaon een antideeltje zou moeten hebben met een tegengestelde vreemdheid aan het standaard neutrale kaon, redeneerden Gell-Mann en Pais dat het neutrale kaon, door middel van complexe processen waarbij zwakke interacties betrokken zijn, zou kunnen veranderen in zijn eigen antideeltje.
Het schema heeft een belangrijk gevolg: Het impliceert dat er twee nieuwe deeltjes zijn – eigenlijk verschillende combinaties van het neutrale kaon en zijn antideeltje – met verschillende levensduren. K-lang, zoals het nu wordt genoemd, duurt gemiddeld ongeveer 50 miljardste van een seconde, terwijl K-kort iets minder dan een tiende van een miljardste van een seconde duurt voordat het uiteenvalt. De voorspelling van deze deeltjes was een van Gell-Mann’s favoriete resultaten, zegt Rosner, omdat ze zo gemakkelijk uit de basis van de kwantumfysica tevoorschijn kwamen.
Een symmetrie van de natuur, onttroond
Een van de belangrijke dingen van K-lang en K-kort, althans in de theorie van Gell-Mann en Pais, was dat ze gehoorzaamden aan iets dat CP-symmetrie wordt genoemd. Grofweg zegt CP-symmetrie dat als je elk deeltje zou verwisselen met zijn antideeltje en de ruimte zou omdraaien in een soort spiegelbeeldig universum, de wetten van de fysica hetzelfde zouden blijven. CP symmetrie is van toepassing op alle klassieke natuurkunde, en het was de kwantumvariant van CP die Gell-Mann en Pais motiveerde. (Technisch gezien waren Gell-Mann en Pais oorspronkelijk alleen door C symmetrie gemotiveerd, maar zij moesten hun theorie bijwerken toen experimenten vaststelden dat zwakke wisselwerkingen zowel ladingsconjugatie als pariteitssymmetrie schonden – maar op zo’n manier dat CP zelf een goede symmetrie leek te blijven).
Ironiek genoeg leidde een door CP-symmetrie gemotiveerd resultaat tot de ondergang ervan: In 1964 ontdekten James Cronin, Val Fitch en hun medewerkers van het Brookhaven National Laboratory dat de K-long – zeer zelden – kon uiteenvallen in twee pionen, een reactie die de CP symmetrie schendt. Kaon-verval schendt dus toch de CP symmetrie.