Bouwsteen van materie blijkt elektrisch enigma

Jean-Paul Keulen

21-10-2022 15:00:00

Impressie van het proton

Het proton reageert anders op een elektrisch veld dan de theorie voorspelt, zo blijkt uit een nieuw experiment.

Ze vormen een ingrediënt van elk atoom: protonen. Maar hoe deze alomtegenwoordige deeltjes precies in elkaar zitten, is nog altijd niet helemaal duidelijk. Zo blijkt nu dat ze zich anders gedragen dan onze huidige theorie voorschrijft als je ze confronteert met een elektrisch veld. Waar dat door komt, is nog onduidelijk.

Ingewikkelde deeltjes

Atoomkernen bestaan uit twee soorten deeltjes: protonen en neutronen. Daarbij bepaalt het aantal protonen met welk scheikundig element je te maken hebt. Een atoomkern met één proton is waterstof. Een kern met twee protonen helium. Enzovoort.

Nu is het verleidelijk om protonen te zien als simpele bolletjes. Zo worden ze tenslotte altijd afgebeeld in natuur- en scheikundeboeken. Maar eigenlijk zijn het behoorlijk ingewikkelde deeltjes, die zelf weer bestaan uit nóg kleinere deeltjes: zogenoemde quarks en gluonen. En die deeltjes ‘voelen’ elkaar via een kracht die alleen op héél korte afstanden werkt: de sterke kernkracht.

Lees ook:

Benaderingen toetsen

Quarks, gluonen en de sterke kernkracht worden beschreven door een natuurkundige theorie met de imposante naam quantumchromodynamica (QCD). Diezelfde theorie zou ons dus ook moeten vertellen hoe het proton precies in elkaar steekt.

Helaas is de QCD geen theorie waarmee je makkelijk en ondubbelzinnig uitrekent hoe het samenspel tussen quarks, gluonen en de sterke kracht een proton oplevert. In plaats daarvan moeten natuurkundigen hun toevlucht nemen tot verschillende benaderingen. Benaderingen die je vervolgens moet toetsen aan experimentele resultaten, om te zien of ze kloppen.

In het nieuwe nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Nature publiceren natuurkundige Nikos Sparveris van de Temple-universiteit in de VS en collega’s zo’n resultaat. En dat resultaat strookt niet met wat de QCD ons lijkt te vertellen.

Duitse afwijking

Sparveris en collega’s hebben gekeken naar hoe het proton reageert op een elektrisch veld. “Simpel gezegd gaat het om wat je de ‘elektrische uitrekbaarheid’ van het proton zou kunnen noemen”, zegt Sparveris. “Oftewel: hoe makkelijk of moeilijk het deeltje vervormt onder invloed van een extern elektrisch veld.”

Dat het proton zich op dat punt niet helemaal aan de regels houdt, meenden Duitse onderzoekers al zo’n twintig jaar geleden vast te stellen, met de deeltjesversneller MAMI. “Maar die resultaten kampten met een grote onzekerheid en werden in de jaren daarna niet bevestigd door anderen”, zegt Sparveris. Hij en zijn collega’s hebben nu met een grotere precisie kunnen meten hoe het proton op elektrische velden reageert. En daarbij vonden ze net zo’n afwijking als het MAMI-team destijds, zij het maar half zo groot.

Intrigerend piekje

Wat is dan het verschil tussen theorie en experiment? “Volgens de theorie is de invloed van elektrische velden op het proton redelijk rechttoe, rechtaan”, legt Sparveris uit. “Naarmate je deze eigenschap bij hogere energieën meet, verwacht je dat het proton steeds ‘stijver’ wordt. Maar wat we in de praktijk zien, is dat het proton aanvankelijk stijver wordt, bij een bepaalde energie even niet meer, en daarna weer wel. Op dit moment is niet duidelijk wat daar de oorzaak van is.”

Theoretisch natuurkundige Juan Rojo (VU Amsterdam en Nikhef), niet betrokken bij het onderzoek, vindt met name dit piekje erg intrigerend. “Er moet een effect zijn dat dit verschijnsel verklaart. Maar wat is dat dan? Het is in elk geval lastig om de theoretische berekeningen zo aan te passen dat dit piekje eruit rolt, zonder echt nieuwe ingrediënten te introduceren.”

Misschien heeft het piekje te maken met andere ontdekkingen over de structuur van het proton van de laatste paar jaar, voegt de theoreticus daaraan toe. Daarbij denkt hij dan onder meer aan het gegeven dat het proton zogenoemde charmquarks bevat – deeltjes die zwaarder zijn dan het proton zélf.

De enige stabiele bouwsteen

Natuurkundige Steven Hoekstra, die aan de Rijksuniversiteit Groningen onderzoek doet naar eigenschappen van het elektron, bekeek de studie van Sparveris en collega’s ook en zegt: “Er is zeker geen reden om aan te nemen dat de meting niet goed is gedaan.” Wel merkt hij op dat het resultaat niet zeker genoeg is om, volgens de normen die gelden binnen de deeltjesfysica, te mogen spreken van een ontdekking.

Sparveris en zijn team zijn ondertussen voornemens om het verschijnsel verder te onderzoeken. “We moeten de vorm van het structuurtje dat die piek veroorzaakt zo precies mogelijk zien te bepalen. Ook moeten we elke mogelijkheid uitsluiten dat het verschijnsel een experimentele oorzaak heeft.”

Relevant is het resultaat wat hem betreft in elk geval wel. “Het proton is de enige stabiele samengestelde bouwsteen van zichtbare materie in ons heelal”, zegt hij. “Daarom is het erg belangrijk dat onze theorie de fundamentele eigenschappen van dit deeltje kan begrijpen en beschrijven.”

Bron: Nature

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE






Meer Nieuws