De revolutie die de deeltjesfysica deed schudden

Burton Richter ’52, PhD ’56, beschrijft zijn Nobelprijswinnende ontdekking graag met een kinderliedje:

Sam Ting met zijn team in het Brookhaven National Laboratory in 1974.

Gisteren ontmoette ik op de trap een man die er niet was. Hij was er weer niet vandaag. Ik zou willen dat hij weg zou gaan.

Het was 1974, slechts twee jaar nadat Richter en zijn team van het Stanford Linear Accelerator Laboratory klaar waren met het bouwen van een nieuwe deeltjesversneller die ze SPEAR noemden. De machine van $ 6 miljoen versnelde elektronen en positronen door een lus van magneten met een diameter van 80 meter en sloeg ze samen in een regen van deeltjesafval om te analyseren. Richter was niet op zoek naar een nieuw deeltje, maar daar was het - een hoge, smalle piek in de gegevens die wees op een zwaar deeltje met een ongewoon lange levensduur. Zo lang zelfs - zeven zeptoseconden, of ongeveer 7.000 biljoenste van een seconde - dat het het begrip van natuurkundigen van fundamentele deeltjes tartte.

Aanvankelijk dachten Richter en anderen dat er iets mis was met de apparatuur, maar ze realiseerden zich al snel dat ze een ontdekking in handen hadden. Niemand had verwacht wat we vonden. Niemand. Het kwam als een complete verrassing, zegt Richter, die voor het eerst verslaafd raakte aan deeltjesfysica nadat hij tijdens zijn eerste jaar op de graduate school in het synchrotron-laboratorium van het MIT had gewerkt.

Misschien net zo verrassend, vond een team aan de andere kant van het land tegelijkertijd hetzelfde. Bij Brookhaven National Laboratory leidde MIT-professor Sam Ting een experiment dat in zekere zin het tegenovergestelde was van dat van Richter. In plaats van elektronen en positronen te vernietigen, sloeg de groep van Ting protonen in een vast doelwit van beryllium om zware deeltjes te produceren die vervolgens zouden vervallen in elektronen en positronen. Toevallig hadden de twee groepen hun versnellers op hetzelfde energiebereik ingesteld en stuitten ze op dezelfde ongebruikelijke piek in hun gegevens.

Ulrich Becker, destijds universitair hoofddocent aan het MIT, speelde een centrale rol bij de ontdekking van Brookhaven. Nu emeritus hoogleraar, heeft hij nog steeds de originele, met de hand getekende grafiek in zijn kantoor, die die onverwachte piek laat zien. Becker zegt dat hoewel zijn groep hoopte zware deeltjes te vinden, ook zij geschokt waren om er een te vinden met zo'n lange levensduur. We hadden geen idee waarom dit in godsnaam was, zegt hij. We waren er zeer argwanend over, maar omdat het zo duidelijk was, was er weinig ruimte voor twijfel.

In november van dat jaar vloog Ting naar Stanford voor een administratieve vergadering en kruiste het pad van Richter.

Sam zei: 'Burt, ik heb je iets spannends te vertellen,' herinnert Richter zich, en ik zei: 'Sam, ik heb iets spannends te vertellen Jij .'

Toen de twee onderzoekers zich realiseerden dat hun teams dezelfde ontdekking hadden gedaan, organiseerden ze die dag een laboratoriumseminar en presenteerden ze hun resultaten. Binnen een maand publiceerden de groepen back-to-back papers in Fysieke beoordelingsbrieven . De groep van Ting noemde het nieuwe deeltje J, en de groep van Richter noemde het Ψ (psi).

Wat zo verrassend was aan het deeltje was dat het ongeveer duizend keer langer meeging dan natuurkundigen destijds hadden voorspeld, wat betekent dat er iets aan de hand was dat natuurkundigen nog nooit eerder waren tegengekomen, althans niet in het laboratorium.

Ongeveer 10 jaar eerder hadden theoretici het concept van quarks geïntroduceerd: fundamentele deeltjes (en bijbehorende antideeltjes) die aan elkaar binden om andere deeltjes te vormen, zoals protonen en neutronen. In 1974 hadden experimentatoren bewijs gevonden voor drie soorten quarks: omhoog, omlaag en vreemd. Maar een voorgestelde vierde quark, charm, bleef ongrijpbaar.

Begin 1975 ging Becker naar Duitsland om een ​​lezing te geven over het nieuwe deeltje. Aanwezig was Werner Heisenberg, de theoretisch fysicus die bekend staat om zijn werk aan de kwantummechanica. Op een gegeven moment onderbrak Heisenberg Becker: hij zei: 'Als ze niet weten wat het is, vinden ze een nieuwe quark uit', herinnert Becker zich. Ik was echt verbijsterd. Ik zei tegen hem: 'Kijk, professor Heisenberg, ik beweer niet of dit charme is of niet. Ik zeg je dat het een deeltje is dat niet weggaat.' Doodse stilte. Het werd erg koud in de kamer. Toen zei Heisenberg: 'Geaccepteerd.'

Natuurkundigen waren het er al snel over eens dat het deeltje, later de J/Ψ genoemd, uit één charm-quark en één anticharm-quark bestond.

Nu aangeduid als de novemberrevolutie, bracht de J/Ψ-ontdekking de stal van fundamentele deeltjes van een ongeordende menagerie naar iets gestructureerd en voorspelbaar, beschreven door wat natuurkundigen het standaardmodel noemden. Ting en Richter wonnen in 1976 de Nobelprijzen.

Wat veel mensen sindsdien proberen te doen, is vinden wat er verder gaat dan het huidige standaardmodel, zegt Richter. Tot nu toe is het ongevoelig voor alle aanvallen.

zich verstoppen