Frederick Reines vond niet zomaar een deeltje. Hij bewees dat er een bestond toen de rest van de wetenschappelijke wereld nog steeds aan het twijfelen was of deze überhaupt gezien kon worden. Reines werd in 1918 geboren in Paterson, New Jersey en bracht zijn leven door met het achtervolgen van geesten in de atomaire onderbouw. Zijn beloning? De Nobelprijs voor de natuurkunde van 1995. Hij deelde de eer met Martin Lewis Perl, die het tau lepton ontdekte, maar Reines’ prijs ging naar iets veel gladder: het neutrino.
Deze kleine lepton heeft bijna geen massa. Geen kosten. Het gaat door de materie zoals licht door glas. Om het te vinden was meer nodig dan alleen goede instrumenten. Er was een specifiek soort koppigheid voor nodig.
Van bomproeven tot deeltjesjacht
Reines’ pad naar ontdekking was niet lineair. Hij studeerde aan het Stevens Institute of Technology en de New York University, waar hij zijn Ph.D. in 1944. Toen kwam de oorlog. Hij sloot zich aan bij het Los Alamos National Laboratory, waar hij tot 1959 aan kernwapens werkte. In 1951 hield hij zelfs toezicht op experimenten voor kernwapenproeven op de Marshalleilanden.
Het klinkt als een vreemde omweg voor een deeltjesfysicus. Maar om de kracht van het atoom te begrijpen, was het nodig om de kleinste delen ervan te begrijpen. Reines bouwde niet alleen bommen. Hij leerde het onmeetbare te meten.
De geest die niet verborgen wil blijven
Het neutrino was geen nieuw idee. Wolfgang Pauli stelde het in de jaren dertig voor om de ontbrekende energie bij radioactief verval te verklaren. Enrico Fermi noemde het later. Maar het detecteren? Dat was een ander verhaal. Het deeltje interageert zo zwak met materie dat het meestal spoorloos door detectoren glipt.
Reines en zijn collega Clyde L. Cowan Jr. besloten te stoppen met raden. Ze wilden bewijs.
Ze begonnen bij de Hanford Engineer Works in Washington. Daarna verhuisden ze naar de Savannah River-laboratoria in South Carolina. Hun opzet was eenvoudig van opzet, brutaal van uitvoering. Ze plaatsten een enorme tank met water vermengd met cadmiumchloride naast een kernreactor. Waarom een reactor? Omdat reactoren biljoenen neutrino’s uitstoten.
De dubbele flits
Het experiment was gebaseerd op een zeldzame gebeurtenis. Een neutrino zou botsen met een proton in het water. Deze botsing had twee dingen tegelijk tot gevolg.
Eerst creëerde het een positron en een neutron. Het positron bewoog zich snel door het water, vertraagde en kwam vervolgens in botsing met een elektron. Die botsing vernietigde beide deeltjes, waardoor fotonen vrijkwamen. Deze flitsen werden opgevangen door scintillatiedetectoren.
Microseconden later vertraagde het neutron en werd geabsorbeerd door een cadmiumkern. Deze tweede interactie bracht zijn eigen set fotonen vrij.
Hier is de sleutel. Je kon de eerste flits zien. Toen, een fractie van een seconde later, zag je de tweede.
De afzonderlijke opnames van de twee inslagen leverden daarom bewijs voor het bestaan van het neutrino.
Dat tweede signaal was het rokende pistool. Het bevestigde dat de interactie geen achtergrondgeluid was. Het was echt. Het neutrino was daar.
Een nieuw venster op het heelal
Reines stopte niet bij één succesvol experiment. Hij realiseerde zich dat het detecteren van neutrino’s een nieuwe manier zou kunnen openen om naar de kosmos te kijken. Als neutrino’s sterren en planeten zouden kunnen passeren zonder te worden geblokkeerd, zouden ze informatie van de meest gewelddadige gebeurtenissen in het universum rechtstreeks naar de aarde kunnen transporteren.
Hij verhuisde in 1959 naar het Case Institute of Technology en vervolgens naar de Universiteit van Californië in Irvine, waar hij lesgaf tot zijn pensionering in 1988. Hij hielp bij het pionieren van de neutrino-astronomie door detectoren diep onder de grond te bouwen om ze tegen kosmische straling te beschermen.
Pauli en Fermi stelden zich het neutrino voor. Reines en Cowan hebben het werkelijkheid gemaakt.
Het neutrino is nog steeds moeilijk te vangen. Het is nog steeds bijna onzichtbaar.
