In 1900, kort nadat het elektron en de radioactiviteit waren ontdekt, maakte Lord Kelvin de beroemde opmerking:
Er valt niets nieuws te ontdekken in de fysica. Het enige dat overblijft zijn meer en nauwkeuriger metingen
Hij zou zich gruwelijk vergissen. De ontdekking van de atoomkern en vervolgens van zijn bestanddelen, het proton en het neutron, heeft onze kijk op de wereld radicaal veranderd. Ons begrip van de wereld veranderde van klassiek naar kwantum en tot 1933 werd de kwantummechanica steeds succesvoller in het beschrijven van experimentele waarnemingen. Dit culmineerde in de Dirac-vergelijking, die het bestaan van anti-materie voorspelde, kort daarna bevestigd door de ontdekking van het anti-elektron (het positron). De zelfvoldaanheid van de natuurkundigen was echter van korte duur. Achter de schermen was niet alles goed. De kwantummechanica had moeite een verklaring te vinden voor de deeltjes die vanuit de kosmos met een snelheid van 10.000 per minuut per m2 op aarde neerstroomden. Een ware who’s-who van natuurkundige kopstukken probeerde de aard van deze “kosmische stralingsdeeltjes” te begrijpen. Aangezien in die tijd de enige bekende deeltjes elektronen, protonen, neutronen, fotonen en (nog niet rechtstreeks gedetecteerde) neutrino’s waren. Men nam aan dat deze kosmische stralingsdeeltjes die bij de aarde aankwamen, elektronen waren.
Het probleem met deze (verkeerde) aanname was dat de “elektronen” die op de aarde neerkwamen, in twee soorten leken te bestaan -1. die welke gemakkelijk door blokken lood werden geabsorbeerd en die een secundaire douche van elektronen, positronen en fotonen veroorzaakten wanneer zij met het lood interageerden en 2. 2. die welke de loden blokken met aplomb penetreerden.
In het begin had de kwantummechanica geen verklaring voor waarom elektronen zich op een van deze twee manieren zouden gedragen, maar geleidelijk werd de theorie gewijzigd (met name door Bethe, Carlson, Heitler en Oppenheimer). Zij vonden een manier om type 1 te beschrijven (het “elektron” dat in lood dook), maar helaas hadden zij niet zo’n geluk met het vinden van een verklaring voor de doordringende deeltjes van type 2. Theoretische natuurkundigen (die tot dan toe zoveel succes hadden geboekt) waren wanhopig. Oppenheimer, altijd een kerel om een beetje ernst in de situatie te brengen en die over het algemeen zijn glas liever half leeg had, schreef in 1934 aan zijn broer:
Oppenheimer: nicotine aangewakkerde kwantummechanica
Zoals u ongetwijfeld weet, is de theoretische natuurkunde – wat met de spookbeelden van neutrino’s, de overtuiging van Kopenhagen, tegen alle bewijs in, dat kosmische stralen protonen zijn, de absoluut onkwantificeerbare veldtheorie van Born, de divergentieproblemen met het positron en de volstrekte onmogelijkheid om überhaupt een rigoureuze berekening te maken – is in een hel
Snel werd het idee dat de doordringende deeltjes protonen waren van tafel geveegd en werd de natuurkundige gemeenschap voor een grimmige keuze gesteld: een nieuw deeltje of de aanvaarding dat de kwantummechanica hopeloos gebrekkig was. Een tijd lang (nu gemakshalve over het hoofd gezien) werd de kwestie verdoezeld en begon men sotto voce te spreken over de mogelijkheid van “rode en groene elektronen” – het ene type werd geabsorbeerd en het andere penetreerde.
Gelukkig betekende de geïnspireerde ontwikkeling van nieuwe experimentele technieken door teams in Europa en de VS dat de experimentele waarnemingen van de doordringende deeltjes nauwkeuriger werden. Deze experimentele vernieuwingen (in combinatie met nieuwe doorbraken in de theorie) maakten een interpretatie mogelijk die leidde tot de onontkoombare waarheid: de doordringende deeltjes waren zoiets als een elektron, maar dan aanzienlijk zwaarder.
Het deeltje kreeg oorspronkelijk de naam het “mesotron”. Zoals vaak het geval is in de wetenschap, was er geen “Eureka-moment” van ontdekking, maar een geleidelijk aanbreken van een nieuw paradigma door het werk van veel mensen, zowel theoretisch als experimenteel. Anderson kreeg de eer (omdat hij al een Nobelprijs had gekregen voor de waarneming van het positron, was dat waarschijnlijk gemakkelijker te verkopen…), maar er was een aanzienlijk aantal dramatis personae – Bethe, Heitler, Rossi, Neddermeyer, Street, Stevenson, Carlson en Oppenheimer – zonder wier bijdragen het “mesotron” niet zou zijn ontdekt. Het “mesotron” werd al snel omgedoopt tot het muon, en het werd duidelijk dat het muon geen rood of groen elektron was, want als het slechts een zwaar of een energieker elektron was, zou het moeten vervallen tot een elektron en een foton, en dit werd niet waargenomen. Het muon bleek een op zichzelf staand deeltje te zijn en was daarmee (na het elektron) het tweede fundamentele deeltje (d.w.z. een deeltje dat niet uit andere deeltjes lijkt te bestaan) dat werd ontdekt. De ontdekking ervan luidde dus het begin in van de deeltjesfysica als vak.
Muonen – ik voelde er niets van.
Er gaan elke seconde van de minuut enkele honderden muonen door je hoofd. Gelukkig zijn ze door hun lage energie (en hoge massa) ongevaarlijk. Deze muonen zijn afkomstig van de botsingen van kosmische stralen (hoofdzakelijk protonen die door sterren worden uitgespuwd) met de atomen in onze bovenste atmosfeer. Na hun ontdekking nam men waar dat het aantal van deze muonen afnam naarmate men dichter bij de aarde kwam en de natuurlijke (en juiste) conclusie was dat het geen stabiele deeltjes waren zoals het elektron, maar een beetje vliegvlug (en dag), en dat zij in ongeveer 2 miljoenste van een seconde vervielen tot andere, meer bekende deeltjes (elektronen en neutrino’s). Op dat moment was de massa van het elektron bekend en werd aangenomen dat neutrino’s massaloos waren, dus door te kijken naar de baan en de energie van het elektron van het muon-verval (of door de tijd te meten die het muon nodig had om te vervallen) werd het duidelijk dat het muon een beetje een varken was. Het woog ongeveer 200 maal de massa van het elektron.
Het muon is geen groot impresario en heeft een vrij beperkt repertoire dat misschien het best geschikt is voor een vluchtig optreden op X-factor. In de laatste 75 jaar hebben we het slechts twee dingen zien doen: wisselwerking en een neutrino produceren of vervallen en een elektron en twee neutrino’s produceren. Maar wij geloven dat het muon het laatste graantje meepikt en meer is dan een tweeklapper. Het muon heeft iets in petto dat ons zal helpen de fysica te begrijpen op energieschalen die veel verder gaan dan de LHC. Wij geloven dat het een nieuw type fundamentele interactie zal onthullen (naast de interacties die wij kennen (elektromagnetische, gravitatie en zwakke en sterke nucleaire interacties) die een van de langst bestaande problemen in de natuurkunde kan helpen verklaren: hoe werd het merendeel van de antimaterie die in de oerknal werd gecreëerd, in het begin van het heelal opgehoopt (of tegenwoordig vermoedelijk gedysoneerd) in de tijd die nodig is om een kopje thee te zetten?
We zijn van plan een bundel muonen van ongeëvenaarde intensiteit te produceren om dit nieuwe type interactie waar te nemen (die ik in de toekomst zal beschrijven). Inderdaad, na een wat slappe periode is dit een opwindende tijd om een muon te zijn en hun doordringende en magnetische eigenschappen worden geëxploiteerd voor een reeks toepassingen buiten de deeltjesfysica. In de jaren zestig werden ze gebruikt om met röntgenstraling de piramides af te speuren naar verborgen kamers en recente ontwikkelingen op het gebied van geladen deeltjesdetectoren hebben het mogelijk gemaakt kosmische stralingsmuonen te gebruiken om zeer grote volumes (zeecontainers, vrachtwagens, treinstations, enz.) nauwkeurig in beeld te brengen en zo bommen, splijtstoffen of dingen die ‘s nachts knallen op te sporen. Muonen worden gebruikt om de eigenschappen van nieuwe samengestelde materialen te bestuderen die potentieel nieuwe halfgeleiders voor de elektronica-industrie of kamertemperatuur-supergeleiders opleveren met een verscheidenheid van toepassingen, van zwevende treinen (zou lastig kunnen zijn op de Northern Line) tot verliesvrije stroomtransmissie. Onlangs werd een bundel muonen, geproduceerd in de ISIS-faciliteit van het VK, gebruikt om het verschijnsel van “magnetriciteit” in “spin-ijs” waar te nemen, wat mogelijk de eerste stap is in de richting van een magnetische versie van elektronica.
Blijf dus opletten, de muon is een ploeteraar, maar zijn 15 minuten van roem zijn nabij.
{{topLeft}}
{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{{#paragraphs}}
{{.}}
{{/paragrafen}{highlightedText}}
- Delen op Facebook
- Delen op Twitter
- Delen via E-mail
- Delen op LinkedIn
- Delen op Pinterest
- Delen op WhatsApp
- Delen op Messenger