De schepping zit scheef

H ET NA48-experiment bij het Europese versnellercentrum CERN in Genève, aldus een mededeling van maandag, heeft bijzondere CERN-metingen uit 1993 bevestigd. Die suggereerden al dat anti-materie niet zomaar gespiegelde materie is. 'Samen met de recente resultaten van Fermilab is dat nu nagenoeg onomstotelijk aangetoond.' CERN-voorlichter Neil Calder verstaat zijn vak. En dus zijn de omslachtige formuleringen in het persbericht geen toeval.

In februari presenteerde Fermilab in Illinois hard experimenteel bewijs voor een wezenlijk verschil tussen materie en antimaterie. Op zichzelf reden voor een feestje, maar Europese fysici reageerden zuinig. Er gingen gelukwensen naar het Amerikaanse lab: felicitaties met de bevestiging van het eerdere meetwerk in Genève.

Een beetje kinnesinne is dat allemaal wel, zegt de Amsterdamse hoogleraar experimentele hoge-energiefysica, prof. dr. Jos Engelen. 'Het feit dat NA48 nu al naar buiten komt, geeft aan dat het ze bij CERN toch niet lekker zit. Ze hebben pas 10 procent van hun metingen echt helemaal geanalyseerd. Normaal peins je er niet over dan al de pers erbij te roepen.'

Maar echt mis kan het haast niet meer gaan, aldus de fysicus, want van tienmaal meer meetgegevens wordt de meetfout alleen maar kleiner. En dus staat nu wel vast: er is een subtiel maar wezenlijk verschil tussen deeltjes en hun antideeltjes, dat mogelijk kan verklaren waarom het heelal uit materie bestaat en niet uit antimaterie.

De vergelijkingen waarmee natuurkundigen het gedrag van deeltjes en hun onderlinge krachten beschrijven, hebben doorgaans een merkwaardige eigenschap: ze gelden zowel voor gewone deeltjes als voor deeltjes met een tegengestelde elektrische lading en gespiegelde ruimtelijke kenmerken. Theoretici noemen dit de CP-symmetrie.

In de jaren dertig werd het eerste antideeltje echt in het lab gevonden: het anti-elektron of positron. Tegenwoordig zijn van de meeste materiedeeltjes ook de antideeltjes bekend, maar die zijn zeldzaam. En als zo'n deeltje zijn tegenhanger ontmoet, vernietigen ze elkaar in een flits van energie.

Het feit, aldus Engelen, dat het heelal uit materie bestaat, is vooral daarom het beste bewijs dat er ergens toch een verschil moet zijn tussen beide soorten deeltjes. 'Anders hadden materie en antimaterie elkaar in de oerknal meteen opgeslokt en bevatte het heelal sindsdien alleen straling. Dan zaten wij hier niet.'

In de jaren zestig suggereerde de voormalige Sovjet-dissident Andrej Sacharov dat dit alleen kon als een antideeltje niet altijd precies het theoretische spiegelbeeld van een deeltje was, zogeheten CP-schending. In dat geval valt instabiele antimaterie iets sneller uit elkaar dan materie, zodat er een klein overschot materie ontstaat.

In 1964 werden in k-mesonen, lichte deeltjes die vrijkomen bij onderlinge botsingen van atoomkernen, voor het eerst indirecte aanwijzingen gevonden voor die CP-schending. Sindsdien zijn experimenten gedaan om ook rechtstreeks vast te stellen of er verschillen bestaan en hoe groot die zijn.

Fermilab en CERN is dat nu allebei gelukt, en hun resultaten zijn nog nagenoeg hetzelfde ook. K-mesonen - onstabiele mengsels van een strangequark en een antiquark - vallen net een beetje anders uit elkaar dan anti-k-mesonen, die juist bestaan uit een anti-strangequark en een quark. Dat zou kunnen leiden tot een overschot van materie in het heelal.

Alleen: k-mesonen vormen slechts een kleine en verre uithoek van de deeltjeswereld. Ze zijn licht en de CP-metingen zijn daardoor nog betrekkelijk onnauwkeurig. En hebben ze maar een paar meetbare eigenschappen.

Het b-meson, een zwaarder en veel complexer familielid van het k-meson, kent die bezwaren minder. De laatste jaren werken diverse deeltjeslaboratoria in de wereld hard aan experimenten waarin op grote schaal zulke b-mesonen worden bestudeerd. Bij Stanford in Californië is net de BaBar-detector (met de bekende Franse olifant als logo) in gebruik genomen, in Japan begint KEK binnenkort en in Hamburg sleutelt het DESY-lab, met een kleine Nederlandse inbreng, aan HERA-b. En ook de nieuwe superversneller LHC bij CERN in Genève krijgt over een jaar of wat een dergelijk b-faciliteit, de LHC-b. Aan de machines worden honderden miljoenen besteed.

Volgens Engelen heeft het k-meson nu zijn beste tijd wel gehad. Daarmee is aangetoond dat CP-schending echt bestaat. De nieuwe experimenten moeten duidelijk maken of de beste theorie die deeltjesfysici hebben, het Standaardmodel, die schending ook tot in detail kan begrijpen.

Het vermoeden, zegt hij, is dat eindelijk een bres kan worden geslagen, waaruit aanwijzingen voor een beter model kunnen worden afgeleid. Engelen kan niet wachten. 'Echt nieuwe fysica, dat zou mooi zijn.'