Labfysici bestudeerden ooit wetenschap die hen achtervolgde
Door Danny Alcazar, archivaris, National Security Research Center
Hoewel Frederick Reines (foto onder) academisch uitblonk in literatuur en geschiedenis en een passie had voor muziek en zingen, zag een leraar zijn potentieel in de wetenschap.
Die leraar bood Reines aanmoediging – en een sleutel voor het wetenschapslab zodat hij kon werken wanneer hij maar wilde. Reines’ cijfers voor natuurkunde werden op de middelbare school steeds beter en op de vraag in het jaarboek wat zijn voornaamste ambitie was, antwoordde hij: “Een buitengewoon natuurkundige worden.”
Jaren later, toen Reines in 1951 voor het eerst een experiment overwoog om het neutrino te detecteren, was dit deeltje nog steeds een klopgeest – wat betekent dat het een vluchtig maar kwellend spook was in de wereld van de fysieke werkelijkheid, volgens het verslag van het Lab: “The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist.” De eigenschappen van het neutrino waren afgeleid, maar alleen theoretisch – iemand moest de realiteit ervan nog aantonen.
Nauwelijks 45 jaar later kreeg Reines de Nobelprijs voor Natuurkunde van 1995 voor het detecteren van de zogenaamde spookdeeltjes van kernreacties en daarmee het verbreden van het begrip van wetenschappers van natuurkundige grondbeginselen.
Manhattan Project tijdperk
Reines kwam in 1944 bij het toen geheime lab in Los Alamos om te helpen bij het maken van ’s werelds eerste atoombommen. Hij werkte onder de beroemde natuurkundigen Richard Feynman en Hans Bethe.
Tegen 1947, dacht Reines voor het eerst aan het nastreven van bewijs voor neutrino’s (een subatomair deeltje zonder elektrische lading en met een zeer kleine massa), wat hem ertoe aanzette een sabbatical-in-residence aan te vragen. Decennia later herinnert hij zich: “In 1951, na de proeven in Eniwetok Atoll in de Stille Oceaan, besloot ik dat ik echt wat fundamentele fysica wilde doen. … Ik verhuisde naar een leeg kantoor en staarde maandenlang naar een leeg schrijfblok, op zoek naar een zinvolle vraag die mijn levenswerk waardig was. De maanden gingen voorbij en alles wat ik uit mijn onderbewustzijn kon opgraven was het mogelijke nut van een bom voor de directe detectie van neutrino’s.”
Geesten zien (deeltjes)
Reines was op een queeste om te bewijzen dat het neutrino echt bestond. Geïnspireerd door vroegere ervaringen met explosieven, besloot hij te proberen het ongrijpbare neutrino waar te nemen en overtuigde zijn Los Alamos collega Clyde Cowan om zijn medewerker te zijn.
Wetende dat atoomexplosies veel neutronen uitzenden die vervolgens vervallen, overwogen zij eerst een atoombom te gebruiken. Een atoomexplosie zou een uitstekende bron voor neutrino’s zijn en een kans dat het “spookdeeltje” zichtbaar zou kunnen worden. Hiervoor moest een gevoelige detector worden gebouwd en dicht bij een atoombom worden geplaatst. Maar hoe kon een detector worden gebouwd die op 100 meter van “de meest gewelddadige door de mens veroorzaakte explosie” kon worden geplaatst en overleven?
Na veel experimenteren besloten Reines en Cowan de kernreactor in Hanford, Washington te gebruiken. Dit zou hen controle geven over kernenergie en het experiment zou herhaalbaar zijn. Daar zouden zij de mogelijkheid hebben om veranderingen in de atoomkernen aan te brengen die kolossale aantallen neutrino’s zouden opleveren. Reines en Cowan waren toen in staat neutrino’s te detecteren die door de reactor werden uitgezonden door hun interacties met protonen in vloeibare scintillator op te nemen.
Project Poltergeist
In 1953 bouwden Reines en Cowan een klein prototype detector met de naam Herr Auge (Duits voor meneer oog) als onderdeel van Project Poltergeist – genoemd naar het spookachtige karakter van het neutrino. Dit was de eerste grote experimentele ontwikkeling die statistisch significante resultaten opleverde.
Tijdens hun experimenten waren zij er zeker van dat zij een vrij neutrino hadden waargenomen, maar in 1955 verplaatsten Reines en Cowan hun operatie naar de Savannah River Plant, die vijf splijtingsreactoren had.
Reines en Cowan werden geconfronteerd met een kolossale uitdaging: het vangen van de “meest asociale van alle deeltjes”. In de zomer van 1956 lukte hen dat.
Nobelprijs voor natuurkunde
Nauw na hun ontdekking verliet Cowan het Los Alamos Lab, gevolgd door Reines, beiden om les te gaan geven.
Pas in 1995 ontving Reines de Nobelprijs voor natuurkunde voor het experimentele werk van hem en Cowan bij de ontdekking van het eerste neutrino, het zogeheten anti-neutrino elektron. Cowan deelde de prijs echter niet omdat deze niet postuum wordt toegekend (Cowan stierf in 1974).
Reines’ Nobelprijs is momenteel te zien in het Bethe House van het Los Alamos Historical Museum op Bathtub Row in het centrum van Los Alamos.
Een officiële replica van de prestigieuze prijs is in bruikleen van het Bradbury Museum van het Lab en is te zien in het National Security Research Center (NSRC), dat is de geheime bibliotheek van het Lab. De officiële replica’s zien er identiek uit aan de originelen en zijn door dezelfde ambachtslieden gemaakt, maar zijn met goud afgewerkt brons in plaats van massief goud.