Op 24 mei overleed de natuurkundige Murray Gell-Mann op 89-jarige leeftijd; na Leon Lederman weer een kleurrijke legende uit het veld van de deeltjesfysica die we voortaan moeten missen.
Om Gell-Mann te herdenken en een aantal van zijn bijdragen in herinnering te brengen, een licht bewerkt fragment uit mijn boek De deeltjesdierentuin (verschenen in 2012, inmiddels toe aan zijn tiende druk), waarin hij een hoofdrol speelt.
Bouwstenen
Eind jaren veertig leek men de deeltjesfysica wel min of meer in the pocket te hebben. Het elektron, het proton en het neutron waren geïdentificeerd, en daar kon je alle materie om je heen uit opbouwen.
Goed, in de jaren daarvoor was de natuur op kleine schaal wel wat complexer gebleken dan men direct na de ontdekking van het neutron hoopte. Zo werd in 1947 het pion ontdekt, een twaalf jaar eerder voorspeld deeltje dat de protonen en de neutronen in atoomkernen bij elkaar moest houden. En in 1936 hadden Carl Anderson en Seth Neddermeyer een deeltje gevonden dat nog het best te omschrijven viel als het zwaardere broertje van het elektron en dat ‘muon’ werd gedoopt.
Bovendien had het elektron een antideeltje en lag het in de lijn der verwachting dat ditzelfde zou gelden voor de overige deeltjes. En dan was er nog het neutrino, dat op papier al bestond maar pas enkele jaren later voor het eerst waargenomen zou worden. Kortom, de natuur had duidelijk wat meer bouwstenen dan drie, maar ook weer niet zó veel meer. En op dat rare muon na speelden ze allemaal een duidelijke rol in het geheel.
Boete in plaats van Nobelprijs
Dat veranderde in 1947. Toen ontdekte men onverwacht een nieuw deeltje, het zogenoemde kaon. En daar bleef het niet bij. In de jaren daarna dook bij experimenten nog een hele rits soortgelijke deeltjes op, die niet erg inspirerend naar Griekse letters werden vernoemd, zoals het phi-, het omega- en het rhodeeltje. Allemaal konden die gerekend worden tot dezelfde familie deeltjes als het eerdergenoemde pion: die van de mesonen. De natuur, die zich tot voor kort zo zuinig leek op te stellen, bleek ineens bizar scheutig met deeltjes.
En nog was het niet gedaan. In 1950 dook namelijk nóg een nieuw deeltje op, het zogenoemde lambdadeeltje. Het zoveelste meson? Nee, zo wist men, dankzij een in 1938 opgestelde regel. Die werd bedacht vanwege de mogelijkheid dat een proton zou vervallen tot een anti-elektron en een foton, een reactie die in werkelijkheid niet plaats lijkt te vinden. (En daar mogen we blij om zijn. Materie bestaande uit atomen met vervallende protonen zou desintegreren waar je bij staat.) Waarom het proton niet op die manier verviel, was onduidelijk.
De Zwitser Ernst Stückelberg kon hier wel een regel voor bedenken: het totale aantal protonen en neutronen waar je mee begon, moest hetzelfde zijn als het aantal waarmee je eindigde. Dus een neutron kan wel vervallen tot een proton en een elektron (je begint in dat geval met een neutron/proton en houdt een neutron/proton over), maar een proton kan niet vervallen tot een anti-elektron en een foton (want dan begin je met een neutron/proton, en heb je er aan het eind nul). Dit gegeven werd de ‘wet van behoud van baryongetal’ genoemd, waarbij het woord baryon (‘zwaar deeltje’) een verzamelnaam was voor protonen en neutronen.
Wat heeft die wet te maken met het lambdadeeltje? Dit deeltje zag men vervallen tot een proton en een pion, oftewel: tot een baryon en een niet-baryon. En omdat het baryongetal in zo’n reactie hetzelfde moet blijven, moest het oorspronkelijke deeltje dus óók een baryon geweest zijn. Met andere woorden: men had hier geen nieuw meson beet, maar een deeltje dat behoorde tot de familie van de protonen en de neutronen. Ook op dat punt was onze deeltjesverzameling dus blijkbaar niet compleet, iets wat de ontdekking van andere baryonen in de jaren daarna nóg duidelijker maakte. Een nogal frustrerende situatie voor deeltjesfysici, die de Amerikaan Willis Lamb in 1955 samenvatte met de woorden: ‘Vroeger kreeg je een Nobelprijs als je een nieuw deeltje had gevonden. Nu zou je een boete van 10.000 dollar moeten krijgen.’
Licht in de duisternis
Het was hoog tijd dat er orde kwam in de chaos. In 1961 bedachten twee natuurkundigen onafhankelijk van elkaar een manier om dat te doen: de onbekende Yuval Ne’eman (die een jaar eerder zijn baan als kolonel in het Israëlische leger had opgezegd om zich aan de natuurkunde te wijden) en de gevestigde Amerikaan Murray Gell-Mann. Zij kwamen beide met een reeks schema’s waarin je de tot dan toe ontdekte mesonen en baryonen kwijt kon, vergelijkbaar met hoe in de negentiende eeuw Dmitri Mendelejev de vele bekende elementen onderbracht in het periodiek systeem.
Omdat veel van deze schema’s acht deeltjes bevatten, de zogenoemde octetten, plakte Gell-Mann hier de naam The Eightfold Way op, een knipoog naar het zogenoemde Achtvoudige Pad dat in het boeddhisme naar verlichting leidt. En inderdaad zouden de schemaatjes van Ne’eman en Gell-Mann uiteindelijk een boel licht werpen op de verwarde deeltjesfysica van die tijd. Maar vooralsnog leken ze niet meer dan een handige manier om de boel te rangschikken.
Een van de eigenschappen die werd gebruikt om deeltjes een plek in een van de schema’s te geven, was de strangeness (‘vreemdheid’), een term die Gell-Mann zelf enkele jaren eerder had geïntroduceerd. Dit was een nieuw getal dat je aan deeltjes kon toekennen zoals ook met de elektrische lading was gedaan. Het proton en het neutron hadden een vreemdheid van 0, terwijl sommige van de pas ontdekte deeltjes een vreemdheid hadden van +1, -1 of zelfs -2.
Wat die vreemdheid dan precies inhield? Dat wist iemand, maar Gell-Mann en anderen hadden wel ingezien dat je een ‘wet van behoud van vreemdheid’ kon introduceren: bij het ontstaan van nieuwe deeltjes moest de hoeveelheid vreemdheid vóór gelijk zijn aan de hoeveelheid vreemdheid ná. En de natuur leek zich inderdaad aan die regel te houden, wat erop wees dat de mate van vreemdheid van een deeltje, hoe suf dat ook klonk, wel degelijk iets te betekenen had.
Uitdaging voor experimentele fysici
Het schema waarin Gell-Mann de mesonen onderbracht, het mesonenoctet, bood hem een mooie kans om de waarde van zijn idee te bewijzen. Hij constateerde namelijk dat een van de plekken in dit schema nog niet door een deeltje was gevuld. Dat deeltje moet er wel zijn, voorspelde Gell-Mann, en inderdaad: enkele maanden later werd dit deeltje, dat door zijn ontdekkers het èta-meson werd gedoopt, daadwerkelijk gevonden.
Vervolgens herhaalde Gell-Mann zijn truc met een decuplet, oftewel: een schema voor tien in plaats van acht deeltjes. In dit schema was het onderste deeltje, het negatieve omega, nog niet gevonden. Gell-Mann daagde op een conferentie experimentele fysici uit hiernaar op zoek te gaan. In 1964 werd precies zo’n deeltje ontdekt.
De schema’s waren dus niet alleen handig om bestaande deeltjes in onder te brengen; als een plek in zo’n schema nog niet bezet was, kon je gaan zoeken naar het deeltje dat er zou moeten zitten – zoals ook eerder elementen waren ontdekt die nog ontbraken in het periodiek systeem van Mendelejev.
Drie smaken quark
Maar wat betékenden die schema’s dan? Waarom bestonden alleen de deeltjes die erin pasten, en andere niet? Die vraag werd in 1964 beantwoord door twee onafhankelijk van elkaar werkende fysici: Georg Zweig en, andermaal, Murray Gell-Mann, die daarbij voortborduurde op een idee van Manhattanproject-wetenschapper Robert Serber. Zweig en Gell-Mann stelden dat al die mesonen en baryonen, die je samen kunt aanduiden met de naam ‘hadronen’, waren opgebouwd uit verschillende combinaties van nog kleinere deeltjes. Deze toen nog hypothetische deeltjes noemde Zweig aces, en Gell-Mann quarks. Die laatste naam bleef uiteindelijk hangen.
Quarks waren er volgens de eerste theorieën van Zweig en Gell-Mann in drie smaken: up, down en strange. (Het woord ‘smaak’ is overigens geen term van mijzelf; de wetenschappelijke term is daadwerkelijk ‘quarksmaak’ – zonder enige link met wat we in Nederland onder kwark verstaan.) De upquark heeft een elektrische lading van +2/3, de down- en de strangequark hebben elk een lading van -1/3. Daarnaast hebben de up- en de downquark een ‘vreemdheid’ van 0, en de strangequark een vreemdheid van -1.
Met deze drie bouwstenen kun je al aardig wat andere deeltjes maken. Zo is het proton een combinatie van twee upquarks en een downquark: je hebt dan een totale lading van +1 (twee derde plus twee derde min een derde) en een vreemdheid van 0. Het neutron bestaat uit een upquark en twee downquarks: dat geeft je een netto lading van nul (twee derde min een derde min een derde) en een vreemdheid van nul. En al die deeltjes met een negatieve vreemdheid in de eerder afgebeelde schema’s bevatten een of meerdere strangequarks; de enige quark van de drie die deze eigenschap ter tafel brengt.
Naast deze drie quarks waren er ook drie antiquarks, vervolgden Zweig en Gell-Mann: antiup, antidown en antistrange. Die hebben, zoals het antimaterie betaamt, de tegenovergestelde elektrische lading van het corresponderende deeltje: antiup heeft een lading van -2/3, terwijl antidown en antistrange een lading van +1/3 hebben. Ook de vreemdheid van de quarks ‘kiept om’: waar de strangequark een vreemdheid van -1 heeft, heeft antistrange een vreemdheid van +1. Uit deze antiquarks kun je bijvoorbeeld het antiproton en het antineutron maken: het antiproton bestaat uit twee antiupquarks en een antidownquark, terwijl het antineutron is opgebouwd uit een antiupquark en twee antidownquarks.
Altijd opgesloten
Nu is het niet zo dat je elke denkbare combinatie van quarks op een hoop kunt vegen en mag verwachten dat je dan een bestaand deeltje hebt gemaakt. Je hebt bij het bouwen van zwaardere deeltjes uit quarks de keus uit drie mogelijkheden. Ten eerste kun je een deeltje opbouwen uit drie quarks. Je krijgt dan een baryon, zoals het proton, het neutron of een van de vele, sinds 1950 ontdekte andere deeltjes van dit type. Ten tweede kun je drie antiquarks nemen en daar een antibaryon van bouwen, zoals het antiproton of het antineutron. En ten derde kun je een quark en een antiquark combineren om een lid van de familie van de mesonen te maken. Zo bestaat de positief geladen variant van het in 1935 voorspelde en in 1947 ontdekte pion uit een upquark en een antidownquark.
Hiermee was dan eindelijk het recept gevonden dat ten grondslag lag aan de schema’s die Ne’eman en Gell-Mann eerder hadden voorgesteld: die geven niets meer dan een overzicht van de mogelijkheden die je hebt als je quarks bij elkaar voegt tot grotere deeltjes.
Probleem was alleen dat quarks nog nooit los waargenomen waren. Niemand had ooit een deeltje gezien met een lading van +2/3 of -1/3. (Zoals je zult ontdekken als je zelf deeltjes gaat bouwen uit quarks volgens de bovengenoemde regels: je krijgt uiteindelijk altijd een deeltje met een heel getal als lading.) En pogingen om ze te vinden, liepen steevast op niets uit: CERN-wetenschappers bestudeerden tevergeefs meer dan 100.000 oude foto’s. Ook experimenten die gebruikmaakten van deeltjesversnellers of kosmische straling leverden geen detectie van losse quarks op. Dit werd ondervangen door te stellen dat quarks in de natuur niet afzonderlijk voorkwamen, maar altijd met andere quarks of antiquarks zaten opgesloten in een groter deeltje. Dit verschijnsel werd quark confinement genoemd.
Pijnlijk mankement
Daarnaast was er nog een theoretisch probleem. Uit de quantummechanica was eerder de regel voortgekomen dat – ietwat kort door de bocht geformuleerd – identieke materiedeeltjes niet precies dezelfde locatie én dezelfde eigenschappen kunnen hebben. Als er op een bepaalde plek al een deeltje zit, kan daar niet een tweede deeltje met dezelfde eigenschappen bij; dat zal een andere plek moeten opzoeken. Dit gegeven wordt het uitsluitingsprincipe van Pauli genoemd. Kon je, met deze regel in gedachten, dan wel twee of meer identieke quarks in een deeltje stoppen?
Neem het proton, dat twee upquarks bevat, of het neutron, dat twee downquarks in zich herbergt. Schenden die doodnormale deeltjes daarmee het uitsluitingsprincipe? Dat zou een nogal pijnlijk mankement van het quarkmodel zijn – of van de quantummechanica.
Ook hiervoor werd weer een mooie ‘oplossing’ bedacht. Quarks hebben niet alleen een smaak (up, down of strange), zo werd in 1964 geclaimd, maar ook een andere eigenschap, die later door Gell-Mann kleur werd genoemd. Die kleur kan rood, groen of blauw zijn, of, in het geval van antiquarks, antirood, antigroen en antiblauw.
Belangrijk is om hierbij in het oog te houden dat dit niets te maken heeft met het begrip kleur zoals wij dat kennen, net zomin als je een quarksmaak zou kunnen proeven. Kleur is niets anders dan de naam voor een extra eigenschap, die ingevoerd moest worden om uit quarks opgebouwde deeltjes aan Pauli’s principe te laten voldoen. Immers: als je de ene upquark in een proton rood noemt en de ander blauw, dan hebben ze niet meer exact dezelfde quantumeigenschappen (ze zijn tenslotte verschillend van kleur) en mogen ze van Pauli dus tóch samen in een deeltje wonen.
Een handig gekozen naam is ‘quarkkleur’ overigens wel. Je zegt namelijk dat in een baryon een van de drie quarks rood is, de tweede blauw en de derde groen. Daarmee is het deeltje in zijn geheel ‘kleurloos’, net zoals je in onze wereld wit licht ziet als je rood, groen en blauw licht combineert. Hetzelfde geldt voor anti-baryonen, die uit een antirode, een antiblauwe en antigroene quark zijn opgebouwd. En in een meson combineer je een quark die een bepaalde kleur heeft met een antiquark die de corresponderende antikleur heeft. Gevolg: wéér een deeltje dat netto kleurloos is.
En dat haakt mooi aan bij het idee van quark confinement, dat je nu kunt samenvatten met de kreet ‘alle deeltjes die je in de natuur kunt vinden, zijn kleurloos’. Een losse quark heeft een kleur, dus die zul je niet afzonderlijk aantreffen; idem voor andere deeltjes die uit te weinig of te veel quarks bestaan om een rood-groen-blauwe, een antirood-antigroen-antiblauwe of een kleur-antikleurcombinatie mee te maken.
‘Quarks zijn voor sukkels’
Maar wat zijn quarks dan? Daarover waren de twee bedenkers van het quarkmodel het totaal niet eens. Terwijl Zweig dacht dat het daadwerkelijke deeltjes waren, vond Gell-Mann dat onzin. Hij zag quarks als niet meer dan een handig hulpmiddel om over materie na te denken, vergelijkbaar met de manier waarop men in de negentiende eeuw over atomen nadacht.
Die opvatting stak Gell-Mann ook niet onder stoelen of banken. ‘Het concrete quarkmodel? Dat is iets voor blockheads,’ zei hij recht in Zweigs gezicht. (Blockhead betekent ‘sukkel’, maar zal wellicht ook bedoeld zijn als woordspeling; Gell-Mann omschreef het letterlijk opbouwen van deeltjes uit quarks als ‘spelen met een blokkendoos’.) En toen een andere natuurkundige tijdens een conferentie zijn ideeën over de bewegingen van quarks binnen baryonen uit de doeken begon te doen, liep Gell-Mann de zaal uit. Quarks als daadwerkelijke deeltjes, daar ging hij zijn tijd niet aan verspillen.
Op dat laatste punt had Gell-Mann het echter mis; al snel bleken quarks wel degelijk echt te bestaan. Zie hoofdstuk 3 van De Deeltjesdierentuin voor de rest van het quarkverhaal.