Streven. Jaargang 12

[p. 618]

Mesonen
P.G. van Breemen S.J.

NAARMATE de vragen die de mens aan de natuur stelt intiemer van aard worden, wordt er een steeds grotere inspanning van de mens vereist om nog een antwoord af te dwingen. Het is niet meer te verwachten dat één mens een dergelijke dwang op de natuur zal kunnen uitoefenen. De geniale enkeling zal een kostbare figuur blijven, maar hij zal moeten steunen op een steeds groter wordend leger van wetenschappers die in groepsverband werken aan detailproblemen. De betekenis van deze anonieme groep zal meer en meer toenemen. De experimenten worden gigantischer, naarmate de deeltjes die men onderzoekt kleiner worden, naarmate men meer in de intimiteit van de atomen doordringt, en zij kunnen alleen nog maar verricht worden door een grote staf van samenwerkende geleerden. Verder zal deze groeps-fysica meer en meer gebruik gaan maken van mechanische middelen om de enorme hoeveelheden waarnemingen te registreren en te verwerken. De rekenmachines nemen een steeds grotere plaats in, omdat zij in verrassend korte tijd vele malen een zeer ingewikkelde berekening kunnen uitvoeren. Alleen de ‘collectieve’ beoefening der fysica, gecombineerd met een intens gebruik van mechanische en automatische hulpmiddelen, is in staat om het ritme van het vraag-antwoord-spel met de natuur te blijven volgen.

Een gevolg is vanzelfsprekend dat de investeringen, die de huidige experimentele fysica vraagt, een zeer groot veelvoud vormen van wat vroeger nodig was. Als we ons beperken tot de mesonen-fysica, dan kunnen we ruwweg het volgende beeld schetsen. In de natuur komen mesonen voor in de kosmische straling. Daar de mesonen echter instabiel zijn en slechts ongelofelijk kort bestaan, is het systematisch onderzoek ervan haast onmogelijk als men niet over een kunstmatige mesonen-bron beschikt. Deze kunstmatige produktie van de mesonen geschiedt in de kolossale versnellings-machines, vooral in de synchrotons (een reuzen-exemplaar uit de familie van het cyclotron). De energie van deze machines wordt uitgedrukt in Gev (= giga-elektron-volt = 1 miljard elektron-volt), een eenheid die we nu niet nader zullen verklaren, omdat we ze alleen zullen gebruiken om enkele synchrotons onderling te kunnen vergelijken. Er zijn enkele van dergelijke machines van ongeveer 1 Gev, o.a. een van 0,6 Gev in het Cern-complex te Meyrin bij Genève; in Brookhaven (N.Y., U.S.A.) staat er een van 3 Gev; Berkeley (Calif., U.S.A.) heeft er een van 6 Gev, terwijl de Russen in Dubno onlangs een machine van 10 Gev in gebruik genomen hebben. Daaren-

[p. 619]

boven is te Meyrin het Eurotron van de Cern in aanbouw (25 Gev), dat hopelijk nog in 1960 gereed zal komen, terwijl de Amerikanen in Brookhaven ook een tweede machine van 25 Gev in aanbouw hebben. Bij het voordeligste versnellingsmechanisme bedragen de bouwkosten rond tien miljoen gulden per Gev; de bedrijfskosten per jaar bedragen ongeveer 10% van de bouwkosten.

Deze machines zijn hoofdzakelijk bedoeld om het onderzoek naar de eigenschappen van de mesonen mogelijk te maken. De mesonen-fysica is uit de kern-fysica voortgekomen. Om het geheim der atoomkernen te forceren, is men op een krachtsinspanning als de mesonen-fysica aangewezen.

Het meson is een vondst van de theorie. De krachten die de bestanddelen van de atoomkern (nl. het positief geladen proton en het neutrale neutron) met elkaar verbinden, zijn buitengewoon sterk. Noch de zwaartekracht, noch de elektro-magnetische kracht kan een voldoende verklaring vormen voor de kernkrachten. Men werd gedwongen tot de aanname van een nieuw soort krachtvelden, waarvan de sterkte die van de langer bekende krachtvelden verre overtreft. De moeilijkheid, dat protonen elkaar zouden moeten afstoten, valt dan weg. Dit kan men als volgt inzien. Alle kerndeeltjes moeten elkaar volgens de zwaartekrachtwet van Newton aantrekken. Omdat echter de protonen positief geladen zijn, en omdat gelijk geladen lichamen elkaar volgens een vaststaande wet afstoten met krachten van een veel grotere sterkte dan die van de zwaartekracht, valt de aantrekkende werking van de gravitatie in het niet bij de afstoting van het elektro-magnetische veld. We moeten dus verwachten dat de kern uit elkaar spat, en eigenlijk niet eens zou kunnen bestaan. De derde categorie van krachtvelden, nl. die van de kernkrachten, moet nu op haar beurt het elektro-magnetische veld weer overstijgen en de uitzonderlijk grote aantrekkende krachten in de kern bewerken. De Japanse Nobelprijswinnaar Hideki Yukawa stelde een theorie op om dit nieuwe krachtveld (later naar hem het Yukawa-veld genoemd) aannemelijk te maken. In 1935 komt hij met de hypothese, dat de protonen en neutronen voortdurend in elkaar overgaan, doordat zij een nog onbekend deeltje uitwisselen. Heel plastisch kan men zich voorstellen, dat een deeltje met een grote frequentie heen en weer springt tussen het proton en het neutron, nu eens bij de een en dan weer bij de ander behorend, en ze zo aan elkaar bindt. De hypothese dat kernkrachten uitwisselingskrachten waren, was al ouder, maar omdat men aannam dat het uitgewisselde deeltje een elektron was, kwam men theoretisch tot krachten die duizenden malen kleiner waren dan de feitelijk waargenomen kernkrachten. Het nieuwe van Yukawa was, dat hij

[p. 620]

stoutmoedig een nieuw deeltje postuleerde, dat wél de feitelijke sterkte van de kernkrachten zou opleveren. Hij berekende dat dit deeltje een massa van 200 tot 300 maal die van een elektron moest hebben. Omdat de massa van het proton in de buurt van 2000 elektronen-massa's ligt, staat het nieuwe deeltje, wat zijn massa betreft, tussen het elektron en het proton in. Daaraan ontleent het de naam meson (μεσος = tussen). Van dit meson berekende en voorspelde Yukawa nog enkele andere eigenschappen. Er was moed voor nodig om met deze hypothese voor den dag te komen; vooral die massa van 200 à 300 elektronen-massa's scheen absurd. Maar binnen drie jaar is Yukawa wereldberoemd: zijn theorie wordt van absurd tot geniaal. Anderson (die ook al het positron ontdekt had) en Neddermeyer vinden in het voorjaar van 1938 in een goede oude Wilson-camera het spoor van een deeltje uit de kosmische straling, dat inderdaad een massa van ongeveer 200 elektronen-massa's heeft. Het is zeer instabiel; in ongeveer een miljoenste seconde valt het weer uiteen in o.a. een elektron of een positron. Men had het meson waargenomen!

Later zou blijken, dat men slechts een meson had waargenomen. Want al spoedig na de triomf van Anderson-Neddermeyer en Yukawa kwam een serieuse moeilijkheid de vreugde verstoren. Het ontdekte meson bleek zeer goed in materie te kunnen doordringen zonder merkbare absorptie. Dat betekende, dat het praktisch geen wisselwerking met de atoomkernen had, en dus ook niet de kernkrachten kon verklaren. De hypothese van Yukawa is weliswaar niet meer dwaas, maar toch nog niet bevestigd.

Pas in 1947 komt er meer licht, dit maal uit Engeland. In Bristol werkt een team van geleerden onder leiding van de Engelsman Frank Powell, de Italiaan S. Occialini en de Braziliaan C. Lattes. Zij hebben een heel oud middel opgegraven en er nieuwe luister aan gegeven. Het is het middel, waarmee Becquerel in 1896 toevallig de straling van uranium ontdekte, nl. de fotografische plaat, het oudste instrument van de kernfysicus. Twee Weense dames, Marietta Blau en Hertha Wambacher hadden in 1937 van de fotografische plaat gebruik gemaakt om deeltjes uit de kosmische straling waar te nemen. Zij namen een bijzonder dikke laag van de fotografische emulsie om zodoende grotere baanlengten te krijgen, en stelden die in de bergen bij Innsbrück maandenlang aan de kosmische straling bloot. Op die manier vonden zij de eerste ‘sterren’: afbeeldingen van kern-explosies, waarbij de brokstukken naar alle kanten wegvliegen en in de fotografische plaat hun sporen achterlaten, die gezamenlijk de vorm van een ster hebben. De fotografische plaat bevat, zoals bekend, zilverbromide. Evenals het foton brengt

[p. 621]

ook een geladen elementair-deeltje het zilver langs zijn baan in aangeslagen toestand. Door ontwikkeling krijgt men dan (zwarte) zilverkorrels, die een duidelijk zichtbaar spoor van het geladen deeltje aftekenen.

De groep in Bristol, bijgestaan door de Ilford-fabrieken, vervolmaakt de methode van de fotografische emulsie op meesterlijke wijze. Ook zij gebruiken dikke lagen. Vooral echter zijn de korrels van hun emulsie veel en veel fijner dan men tot dan toe gewend was. Daardoor zijn zij tot nauwkeurige kwantitatieve bepalingen in staat. Hoe sneller nl. het deeltje door de fotografische emulsie schiet, hoe minder zilver het zal aanslaan op zijn weg, en hoe dunner dus het zwarte spoor zal zijn, dat na ontwikkeling te voorschijn komt. Bij zeer fijne korrel-verdeling kan men door korrel-telling de snelheid en daarna uit de baanlengte de massa bepalen.

Een aantal van deze geperfectioneerde platen wordt een maandlang op de top van de Chacaltaya (5600 m) in de Andes geplaatst. Dan worden deze platen, zoals zovele andere, in het laboratorium van de Universiteit van Bristol minutieus onderzocht. Daarbij ontdekte men in 1947 een nieuw soort mesonen, die na korte tijd uiteenvielen in de door Anderson en Neddermeyer al eerder ontdekte soort mesonen. Door deze ontdekking werd de fotografische plaat in haar nieuwe perfectie één van de pijlers van de mesonen-fysica, die nog steeds een ereplaats inneemt naast de andere detectiemiddelen zoals scintillatie-teller, Cerenkov-teltel, Wilsonkamer, diffusie-vat en Glaservat. Sedert 1952 heeft men een methode ontwikkeld om de ene emulsielaag aan de andere te laten aansluiten, zodat men de mesonen a.h.w. door een blok fotografische emulsie kan laten bewegen en zodoende een lang spoor nauwkeurig kan volgen en opmeten. Na afloop van het proces bevestigt men de (genummerde) emulsielagen op glasplaten en onderzoekt ze met de microscoop. Dit onderzoekerswerk, waarvoor het Engelse werkwoord ‘to scan’ is ingeburgerd, vraagt zeer veel tijd en gebeurt in eerste instantie meestal door niet-wetenschappelijk personeel. Deze scanners zoeken stelselmatig een hele plaat af, en noteren de bijzonderheden, die de wetenschapper dan snel kan terugzoeken en verwerken. Wie een laboratorium voor mesonen-onderzoek bezoekt, zal daar een groep - meestal vrouwelijke - scanners aantreffen, die hem de in de inleiding vermelde ontwikkeling der fysica aanschouwelijk maken.

Door de ontdekking in Bristol kwam men tot het inzicht, dat er verschillende typen mesonen bestaan. De door Powell c.s. ontdekte soort kreeg de naam π-mesonen (later door Fermi ook pion genoemd); de eerst ontdekte soort werd μ-mesonen genoemd (later ook muon). Toen men de π-mesonen nader onderzocht, bleek dat zij zeer sterk reageerden

[p. 622]

met atoomkernen, en dus inderdaad in aanmerking kwamen om de kernkrachten te verklaren. Ook de andere door Yukawa voorspelde eigenschappen vond men in het π-meson terug, zodat we wel mogen aannemen, dat het π-meson proton en neutron samenbindt in de kern.

Het jaar daarop (1948) gaat de mesonen-fysica een reuzenstap vooruit. Lattes heeft de groep in Bristol verlaten, en werkt samen met de Amerikaan Eugene Gardner in Berkeley aan de kunstmatige produktie van mesonen. Al heel spoedig ontdekt men, dat een bundel van 0,4 Gev α-deeltjes die op koolstof, koper, of andere stoffen botst, π-mesonen doet ontstaan in ongekende hoeveelheden. Doordat de π-mesonen in μ-mesonen uiteenvallen, kan men ook deze laatste produceren. De bouw van de versnellingsmachines komt nu in dienst van het mesonen-onderzoek. De fysica wordt steeds kolossaler.

Dank zij de nieuwe hulpmiddelen ontwikkelt de mesonen-fysica zich nu verder in een snel tempo. Men ontdekt, dat er nog veel meer soorten mesonen bestaan. De tijd waarin men met slechts twee massa's van elementaire deeltjes meende toe te kunnen (nl. 1 elektron-massa voor het elektron, en ong. 2000 elektronen-massa's voor proton en neutron), schijnt al weer heel ver achter ons te liggen. En toch was het in 1935 nog ‘dwaas’ om aan deze veronderstelling te tornen. We kennen nu de volgende mesonen:

het positieve μ-meson, met een massa van 207 elektronen-massa's

het negatieve μ-meson, met een massa van 207 elektronen-massa's

het positieve π-meson, met een massa van 273 elektronen-massa's

het negatieve π-meson, met een massa van 273 elektronen-massa's

het neutrale π-meson, met een massa van 264 elektronen-massa's

het neutrale Κ-meson, met een massa van 962 elektronen-massa's

het negatieve Κ-meson, met een massa van 967 elektronen-massa's

en verschillende typen Κ-mesonen, met een massa van 963 tot 969, die tot voor kort τ-mesonen werden genoemd.

Daarnaast heeft men een aantal soortgelijke deeltjes ontdekt, waarvan de massa echter groter is dan 2000 elektronen-massa's, zodat de naam meson in de oorspronkelijke betekenis er niet op van toepassing is. Men heeft ze de begrijpelijke naam hyperonen gegeven, en kent er op het ogenblik vijf, t.w.

het neutrale Λ-deeltje; massa 2182 elektronen-massa's

het positieve Σ-deeltje; massa 2327 elektronen-massa's

het negatieve Σ-deeltje; massa 2342 elektronen-massa's

het neutrale Σ-deeltje; massa 2327 elektronen-massa's

het negatieve Ξ-deeltje; massa 2583 elektronen-massa's

[p. 623]

In de beginperiode van de kernfysica kende men drie zgn. elementaire deeltjes, nl. elektron, proton en neutron, waaruit men alle atomen en atoomkernen opgebouwd dacht. Sedert Yukawa dit simplisme heeft doorbroken, is de lijst van de elementaire deeltjes of wat daarvoor doorgaat, tot ongeveer 30 aangegroeid. Soms meent men, dat enkele van deze deeltjes in feite uit andere zijn opgebouwd en dus niet elementair zijn. De situatie wordt beslist als onbevredigend beschouwd; vroeg of laat zal er wel een grondige herziening van de indeling en misschien ook van de begrippen nodig zijn. Onwillekeurig denken we aan Mendelejeff, die in 1869 met één slag orde schiep in de chaos van de chemische elementen. Wie zal de man zijn, die de vruchten van het mesonenonderzoek samenvat in een overzichtelijke synthese, die ons geloof in de orde in de natuur ons doet verwachten?

Eén eigenschap die alle mesonen en hyperonen gemeen hebben, is wel terloops even vermeld, maar vraagt om wat meer nadruk. Het is hun uiterst korte levensduur. Het levenstempo van deze familie is zo fantastisch hoog, dat het μ-meson met een gemiddelde levensduur van één miljoenste deel van een seconde al als de Methusalem der mesonen moet worden beschouwd. Het π-meson b.v. beëindigt zijn leven nog een miljard maal sneller. We komen hier in een orde van tijd-meting, waar ons voorstellingsvermogen ons volkomen in de steek laat. Nemen we eens een Λ-hyperon, dat met een gemiddelde levensduur van ongeveer 3 tienmiljardste seconde een evenwichtige middenpositie inneemt in deze ijltempo-sfeer. Als we een estafetteloop zouden organiseren, waarbij ieder Λ-hyperon bij zijn geboorte de estafette-stok overneemt om hem bij zijn dood aan de volgende af te geven, en er zouden evenveel Λ-deeltjes deelnemen als er mensen zijn op aarde, dan zou de race in één seconde ten einde zijn. Dank zij een uiterst geraffineerde experimenteer-techniek is men in staat om toch met vrij grote nauwkeurigheid dergelijke micro-levenstijden te meten.

Het meson of hyperon kan in zo'n korte tijd nog tamelijk grote afstanden afleggen. We nemen, zelfs op zeeniveau, mesonen waar, die in de hogere luchtlagen ontstaan zijn. Dat komt door de enorme snelheden, waarmee zij zich plegen voort te bewegen. Hun snelheid komt soms dicht bij die van het licht. Dat betekent dat hier de relativiteitstheorie toepassing vindt, die ons leert dat in een bewegend systeem de tijd verschilt van die in een rustend systeem. Zonder deze relativistische tijdscorrectie zou het onbegrijpelijk zijn, dat wij mesonen uit de hogere luchtlagen op aarde waarnemen. In het snel-bewegende meson loopt de klok a.h.w. veel langzamer dan in het laboratorium en de huiskamer.

Behalve de uiterst korte levensduur brengen de mesonen nog een

[p. 624]

ander probleem met zich, dat nauw verwant is met het begrip zelf van elementaire deeltjes: we hebben te doen met deeltjes die we van de ene kant elementair noemen, en die van de andere kant voortdurend in aantal en natuur veranderen. Men spreekt over creatie en annihilatie in het Yukawa-veld; of men spreekt over een virtuele aanwezigheid van mesonen in de atoomkern. Meer nog dan de chaos in de tabel der elementaire deeltjes, dwingt deze scheppings- en vernietigings-terminologie ons tot een bezinning op wat nu eigenlijk een elementair deeltje in wezen is. Maar op dit punt gekomen, voel ik mij genoodzaakt om de lezer in de steek te laten. Waarschijnlijk is het al gewaagd en voorbarig om gegevens van een zo jonge en veranderlijke wetenschap als de mesonen-fysica aan leken uiteen te zetten. Het is immers nog maar een zoeken en tasten in een wereld, die we nog maar pas ontdekt hebben, en de resultaten liggen nog lang niet vast. Maar heel zeker zou het voorbarig zijn om uit gegevens die in heel veel opzichten kennelijk voorlopig zijn, diepergaande conclusies te trekken. Ook hier moeten wij wachten op het resultaat van de gezamenlijke inspanning van een steeds groter wordend team van wetenschappers.