Onderzoek naar atoomkernen die bestaan uit een proton, een neutron en een deeltjessoort met de naam ‘hyperon’, onthult allerlei informatie over de exotische kernsoort. Het werk bevestigt dat materie en antimaterie elkaar perfecte spiegelbeeld zijn. En dat de bindingsenergie die de kerndeeltjes bij elkaar houdt, groter is dan voorheen gedacht. Tot slot biedt het experiment een kijkje binnenin neutronensterren.
De vreemde atoomkernen waar het om gaat zijn ‘hypertritons’. Een hypertriton bevat naast de ‘gewone’ kerndeeltjes (een proton en een neutron) een deeltje genaamd hyperon. Net als protonen en neutronen bestaan hyperons uit drie kleinere bouwstenen genaamd quarks. Maar waar protonen en neutronen enkel up- en downquarks bevatten, hebben hyperons tenminste één exotische strange-quark.
Gaan we buitenaards leven ontdekken op ijsmanen?
De ruimtevaartorganisaties NASA en ESA spenderen momenteel miljarden aan missies naar de ijsmanen rond de planeten Jupiter en Saturnus.
Amerikaanse onderzoekers hebben uiterst nauwkeurige metingen gedaan waaruit blijkt dat de bindingsenergie, die de kerndeeltjes in hypertritons bij elkaar houdt, groter is dan uit eerdere experimenten bleek. Ook lieten ze zien dat de massa van hypertritons goed overeenkomt met de massa van anti-hypertritons, het anti-materiële spiegelbeeld van hypertritons.
Van hyperon naar hypertritons
De fysici onderzochten hypertritons en antihypertritons die vormen in het gloeiend hete quark-plasma dat ontstaat bij botsingen tussen kernen van goudatomen in de Amerikaanse deeltjesversneller RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). De exotische deeltjes zelf zijn lastig te meten, want ze bestaan maar een fractie van een seconde. ‘Daarom meten we de snelheid, impuls en massa van de deeltjes waarin de (anti)hypertritons vervallen’, zegt Peng Liu van de Shanghai Institute of Applied Physics, onderdeel van de onderzoekscollaboratie. ‘Uit die informatie reconstrueren we de eigenschappen van de hypertritons en anti-hypertritons.’
Massa en bindingsenergie
Hun meting waaruit blijkt dat de massa’s van anti-hypertritons en hypertritons goed overeenkomen, bevestigt een fundamentele natuurkundige symmetrie. Volgens die symmetrie zijn materie en antimaterie elkaar perfecte spiegelbeeld. Dit is keer op keer aangetoond, maar nu voor het eerst met een atoomkern met een strange-quark.
Naast de massa maten ze ook de bindingsenergie die het hyperon en het proton en neutron bij elkaar houdt. Uit de resultaten blijkt dat die bindingsenergie 0,4 miljoen elektronvolt is. ‘Dat is twee keer groter dan de waarde die eerder in minder nauwkeurige experimenten gevonden werd’, zegt Liu. ‘Dat suggereert dat er meer interactie is tussen de kerndeeltjes dan fysici dachten.’ Dat heeft gevolgen voor bijvoorbeeld modellen die het binnenste van neutronensterren beschrijven.
Gigantische hyperatoomkern
Hoe het binnenste van neutronensterren er precies uitziet is nog een mysterie. Volgens sommige theoretische modellen bevatten ze naast neutronen ook hyperons. ‘Neutronensterren kun je dan zien als gigantische hyperatoomkernen’, zegt Liu.
Als dat zo is, dan speelt de bindingsenergie tussen hyperons en neutronen een rol in de massa en structuur van neutronensterren. Dat die bindingsenergie nu groter blijkt, betekent dat neutronensterren steviger en zwaarder kunnen zijn dan tot nu toe werd gedacht, zegt de niet-betrokken astronoom Morgane Fortin van de Polish Academy of Sciences in Warschau in ScienceNews. Zo biedt deeltjesfysicaonderzoek naar de gekke hypertritons mogelijk een verklaring voor het bestaan van de grootste neutronensterren die in het heelal gevonden worden.
