Nieuws

Onthuld: de bizarre wereld in het binnenste van protonen, bouwstenen van alles om ons heen

Ze zitten in alles, van onze lichamen tot het broodje dat je bij de lunch eet: protonen. Natuurkundigen beschrijven deze week hoe in het binnenste van die deeltjes een wereld heerst die zó bizar is dat het twintig jaar kostte om hem in kaart te brengen.

In deeltjesversneller LHC, onder de grond van Genève, versnellen fysici protonen tot grotesk grote snelheden om ze daarna op elkaar te laten botsen.  Beeld AP
In deeltjesversneller LHC, onder de grond van Genève, versnellen fysici protonen tot grotesk grote snelheden om ze daarna op elkaar te laten botsen.Beeld AP

Of het nu je eigen lijf is, een stukje papier of een tegel op de stoep: wat we om ons heen zien, is slechts de buitenste laag van een matroesjka-pop die fysici de afgelopen eeuwen stukje bij beetje hebben leren openen. Materie is gemaakt van moleculen, die weer gemaakt zijn van atomen, die op hun beurt onder meer bestaan uit protonen. En dat, zo blijkt deze week in vakblad Nature, is waar de wereld plotsklaps een stuk minder overzichtelijk wordt.

Ja: in oude natuurkundeboeken is het allemaal nog verlokkelijk simpel. Daar zijn protonen gewoon de volgende van de steeds kleinere wordende matroesjkas. Maak ze open en je ontdekt nóg kleinere deeltjes: quarks. Drie stuks om precies te zijn, twee zogeheten upquarks en één downquark.

Een aantal decennia terug doken in experimenten echter al de eerste aanwijzingen op dat het binnenste van protonen véél bizarder is dan die simpele beschrijving doet vermoeden. In werkelijkheid, zo bleek toen, schuilt in die deeltjes een klotsende zee van vele, vele quarks en andere elementaire deeltjes. Sterker nog: in het binnenste van protonen schuilt zelfs antimaterie, het mysterieuze spiegelbeeld van gewone materie waarvan in het heelal normaliter vrijwel elk spoor ontbreekt.

Dansende deeltjeschaos

Dat die dansende deeltjeschaos zich op papier gedraagt alsof het drie overzichtelijke quarks zijn, is iets waar zelfs fysici zich over kunnen verbazen. ‘Hoe dit allemaal kan werken, is eerlijk gezegd een behoorlijk wonder’, zei nucleair fysicus Donald Geesaman (Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten) daarover tegen website Quanta Magazine.

Het bewoog fysici er twintig jaar terug al toe om een experiment op te zetten waarmee ze die maffe ‘protonzee’, zoals ze het binnenste doopten, beter in kaart konden brengen. Dat experiment, SeaQuest, publiceerde deze week eindelijk het langverwachte resultaat.

Dat bevestigt niet alleen het beeld van een klotsende deeltjeszee, maar hangt ook getallen aan exact hóé maf het eraan toegaat. Zo hebben de fysici bijvoorbeeld (indirect) bepaald dat de antimaterie in protonen gemiddeld bestaat uit 1,4 anti-downquarks voor elke anti-upquark.

Krioelende wolk

‘Heel interessant’, zegt fysicus Juan Rojo van de Vrije Universiteit Amsterdam. ‘Dit helpt ons bij het ontraadselen van wat zich afspeelt in het binnenste van protonen.’

Momenteel staan van de theorieën die de afgelopen decennia zijn opgesteld om de protonzee te beschrijven, nog twee opties overeind. Óf protonen zijn in werkelijkheid een krioelende wolk van subatomaire deeltjes (pionen, voor de kenners) óf je kunt ze het best beschrijven met de formules die ook beschrijven hoe gas zich gedraagt in een doos.

Vervolgexperimenten moeten uitwijzen welk van die twee klopt, maar ook nú kan het resultaat al nieuwe inzichten bieden. Want ook deeltjesversneller LHC van onderzoeksinstuut Cern kijkt al jaren in het binnenste van de deeltjes, zegt Rojo. Daar schieten ze protonen met hoge snelheid op elkaar en speurt tussen de brokstukjes naar nieuwe deeltjes. Op die manier ontdekten fysici in 2012 bijvoorbeeld het higgs-deeltje, het deeltje dat andere deeltjes hun massa geeft. ‘Als wat zij nu meten niet in overeenstemming is met wat men in de LHC ziet, wordt het interessant’, zegt Rojo. Dan steekt de onderste matroesjka van moeder natuur misschien wel heel anders in elkaar dan gedacht.

Meer over