Theoretisch natuurkundigen zijn erover uit: het oersimpele proton bevat niet alleen de al bekende up– en downquarks, maar ook middelzware charmquarks. Een hersenkraker, want die deeltjes zijn zwaarder dan het proton zelf.

Protonen zijn positief geladen deeltjes die je terugvindt in alle atoomkernen in je lijf. We weten al sinds 1917 van hun bestaan, maar een artikel dat deze week is gepubliceerd in het wetenschapsblad Nature bewijst dat we die kerndeeltjes nog steeds niet perfect begrijpen. Theoretisch natuurkundige Juan Rojo (Vrije Universiteit en Nikhef) laat in zijn artikel zien dat het proton onverwachte bouwstenen bevat. Het is mooi werk, maar overtuigt nog niet helemaal, reageert een vakgenoot.

Lees ook:

• ‘Onmogelijk’ deeltje zoekt randen natuurkunde op
• Muon houdt zich wéér niet aan de regels
• ‘Ik verwachtte niet dat we het higgsdeeltje zouden vinden’

Boekhouden

Protonen bestaan uit een kluitje van drie quarks, de fundamentele bouwstenen van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Volgens het simpelste plaatje van het proton zijn dat de twee lichtste soorten quarks: twee up- en een downquark. Maar volgens de theorie kun je ook andere quarks vinden in het proton, zoals het charmquark. Het onderzoek in Nature laat zien dat dat middelzware deeltje zelfs permanent aanwezig is.

Rojo’s bewijs heeft de vorm van extreem pietepeuterig boekhouden. Door in zo groot mogelijk detail door te rekenen hoe de drie bekende up- en downquarks zich gedragen, en dat af te trekken van nauwkeurige metingen aan het proton, hield zijn onderzoeksproject een restant over dat niet past bij de up- en downquarks.

Het verschil tussen Rojo’s berekeningen en de metingen is maar een half procent en past precies bij hoe een klein aandeel charmquarks het proton zou beïnvloeden. “We zijn hier al veertig jaar naar op zoek “, vertelt Rojo: “pas sinds kort hebben we de rekenkracht en de metingen om het proton echt door te lichten.”

Massa

Opmerkelijk is dat het charmquark zelf duizend keer zwaarder is dan het upquark, en zelfs zwaarder dan het proton. Hoe past dat? “Het klinkt inderdaad alsof je een kilo suiker koopt en ontdekt dat er ook twee kilo zand in zit”, geeft Rojo toe in een persbericht. Dat klinkt onzinnig, maar de theoretisch natuurkundige is stellig: in de quantumtheorie kan dit prima.

Het standaardmodel beschrijft deeltjes zoals het proton niet als een vaste set deeltjes, maar als een optelsom van verschillende toestanden. Twee ups en een down bijvoorbeeld, of daarbij nog eens twee strangequarks (al eerder gevonden) en nu ook twee charmquarks. Alsof je door een appeltaart een paar partjes peer mixt voor de perfecte smaak. Die uitgebreide varianten tellen veel minder mee in het totaalplaatje dan het basisrecept, wat de reden is dat ze zo lastig zijn aan te tonen.

“Het is best een klein effect”, reageert experimenteel deeltjesfysicus Freya Blekman aan de Universiteit van Hamburg, zelf niet betrokken bij de studie. “Vandaar dat het nog niet eerder gevonden was. Tegelijkertijd is het aandeel charmquarks groter dan ik had verwacht. Interessant!”

Altijd aanwezig

Dat het proton charmquarks bevat, is volgens Blekman geen nieuws. “Dat weten we al sinds experimenten vanaf 2012.” De vraag was eerder hoe dat kan, legt de onderzoekster uit. Ontstaan die charmquarks uit het niets om een fractie van een seconde later weer te verdwijnen, of zijn het bouwstenen die er altijd in zitten? “Rojo en zijn collega’s laten zien dat dat laatste waarschijnlijk het geval is.”

Toch mag de meetnauwkeurigheid nog omhoog, vinden zowel Rojo als Blekman. Die is nu drie sigma, oftewel een foutenmarge van zo’n één op duizend. Deeltjesfysici spreken pas van een echte ontdekking, zoals de vondst van het Higgsdeeltje, vanaf vijf sigma: een foutenmarge van één op drieënhalf miljoen.

Neutrino’s

Het resultaat aanscherpen wordt volgens Blekman lastig, want er is – nog – geen experiment op aarde dat de gebruikte metingen met de LHCb-detector van CERN kan controleren. Toch is er hoop: de toekomstige electron-ion-collider kan de proeven misschien controleren.

Ook de neutrinotelescoop IceCube in het ijs van Antarctica kan nieuws brengen, denkt Rojo: die meet strooistraling van de inslag van snelle protonen uit het heelal op de atmosfeer, een proces dat gevoelig is voor het aandeel charmquarks in het proton. Als Rojo’s berekeningen kloppen met de gemeten strooistraling, is dat een steuntje in de rug voor de voorspelde charmquarks in het proton.

Blekman is benieuwd naar vervolgwerk: “Dit is razend interessant onderzoek. Er is nog van alles dat we niet weten over het proton, zoals of het op echt lange termijn wel stabiel is. Alles wat we kunnen leren is welkom.”

Bronnen: Nature, Nikhef

Beeld:

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