‘Onmogelijk’ deeltje zoekt randen natuurkunde op

Gieljan de Vries

23-06-2022 12:30:23

Bij botsingen in een deeltjesversneller in Tokyo zijn sporen gevonden van een deeltje van vier neutronen, dat volgens de geldende theorie niet kan bestaan. Volgens natuurkundigen is dat een ideaal studieobject om de krachten binnen atomen beter te leren begrijpen.

Hoe zit materie nou echt in elkaar? Zelfs na bijna negentig jaar onderzoek weten natuurkundigen nog niet perfect hoe de sterke kernkracht werkt, die geladen protonen en iets zwaardere ongeladen neutronen bijeenhoudt in atoomkernen. In het wetenschapsblad Nature publiceert natuurkundige Meytal Duer (Technische Universiteit Darmstadt) nu de vondst van een deeltje dat ons begrip van de sterke kernkracht op scherp zet.

Lees ook:

onderzoekers
Leden van het onderzoeksteam bij de deeltjesversneller in Tokyo. © Thomas Aumann

Standaardmodel

Voor ons dagelijks leven maakt de vondst niets uit, maar wel als je bijvoorbeeld wilt begrijpen hoe de beginfase van het heelal precies verliep. Het zogeheten standaardmodel van de deeltjesfysica kan namelijk niet voorspellen hoe deeltjes zich gedragen onder de omstandigheden die toen speelden, ver voorbij het bereik van zelfs onze grootste deeltjesversnellers. Experimenten die niet perfect kloppen met de theorie kunnen hopelijk aanwijzingen geven over hoe het standaardmodel moet worden aangepast.

Dus toen Duer en haar collega’s besloten om de sterke kernkracht onder de loep te nemen, zochten ze een deeltje aan de randen van wat de theorie aankan. In de deeltjesversneller Radioactive Ion Beam Factory van de Universiteit van Tokyo probeerden ze daarom een deeltje te maken dat eigenlijk niet kan bestaan: een tetraneutron, een kluit van vier ongeladen neutronen.

Volgens onze huidige theorie van de sterke kernkracht zijn deeltjes van vier neutronen instabiel, legt deeltjesfysicus Magdalena Kowalska van het deeltjeslab CERN uit. Ze is zelf niet betrokken bij het onderzoek. “Dat komt doordat de neutronen zich altijd zo schikken dat het deeltje onder spanning staat. Vroeg of laat valt het daarom uiteen. Hoe snel, dat vertelt je iets over hoe de sterke kernkracht zich gedraagt en of dat afwijkt van de bestaande theorie.”

deeltje
Reactie om een deeltje van vier neutronen te maken door helium-8 te laten botsen op een waterstofatoom. © Duer et al. / Nature

Wegknallen

Om de levensduur van het tetraneutron te onderzoeken begon Duer met het atoom helium-8, in principe een normaal heliumatoom van twee protonen en twee neutronen, met daaromheen nog eens vier extra neutronen. Door het binnendeel van de atoomkern weg te knallen in de deeltjesversneller, bleef de huls van vier neutronen over.

Uit de energie van de botsingsproducten konden Duer en haar collega’s afleiden hoe lang de vier neutronen na de botsing bijeen blijven. Het resultaat was een verbijsterend korte 4 x 10-22 seconde (dus op 22 plaatsen achter de komma). Zelfs met bijna de lichtsnelheid is de afstand die het deeltje in die oogwenk aflegt maar een paar keer de doorsnede van de originele atoomkern. In die tijd blijft het wel intact, reden dat natuurkundigen toch van een deeltje spreken.

De korte levensduur van het tetraneutron klopt met de bestaande theorie: geen barst dus in ons begrip van de sterke kernkracht. Toch is de vondst volgens Kowalska interessant: “Volgens sommige theorieën zou zich helemaal geen deeltje van vier neutronen vormen.” In plaats daarvan zouden de neutronen na de botsing allemaal hun eigen weg gaan. Zulke alternatieven voor het standaardmodel staan dus op iets lossere schroeven. Met vervolgonderzoek hopen de wetenschappers hun metingen verder aan te scherpen. Tijdens hun eerste metingen wisten de wetenschappers maar 41 van de instabiele deeltjes te maken.

Twijfels

Niet iedereen denkt ondertussen dat de onderzoekers ook écht beet hebben. Naar deeltjes die alleen uit neutronen bestaan wordt namelijk al zestig jaar lang vergeefs gezocht. In dezelfde editie van Nature als Duers onderzoek geven de onafhankelijke onderzoekers Lee Sobotka en Maria Piarulli (Washington University) commentaar op het werk. Ze zijn er wel van overtuigd dat er kluiten neutronen wegschieten, maar of het gemeten signaal ook echt bij een tetraneutron past, daar zijn ze niet van overtuigd.

Dat er twijfel is aan het resultaat is niet vreemd, zegt Kowalska. Volgens de onderzoekster zijn er verschillende scholen in het onderzoeksveld, elk met eigen manieren om te rekenen aan kluitjes neutronen en hoe stabiel die zijn. “Wat de één een overtuigende vingerafdruk van zo’n deeltje vindt, schuift een ander daarom opzij.”

Het onderzoek levert misschien geen baanbrekend inzicht in de sterke kernkracht, maar toch is het een stap vooruit: de metingen van Duer en haar collega’s zijn nauwkeuriger dan ooit tevoren. Andere onderzoekers hebben daardoor betere data om hun theorieën op te testen. De laatste jaren vinden wetenschappers steeds meer barstjes in het Standaardmodel, van deeltjes die zich niet niet zo gedragen als verwacht. Of de vier-neutronen-kluitjes bijdragen aan die groeiende berg hints over een betere theorie van de werkelijkheid, weten we pas achteraf.

Bronnen: Nature, TU Darmstadt

Beeld: Artistieke impressie van een tetraneutron, een deeltje van vier neutronen dat volgens de geldende deeltjesfysica nauwelijks kan bestaan. © Andrey Shirokov

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