Niemand weet precies wat er in een atoomkern gebeurt. MIT-onderzoekers lijken nu een stap dichter bij de oplossing, dankzij formules die het gedrag van atomen in gas beschrijven.

Een beter begrip van atoomkernen kan meer inzicht geven in de processen die plaatsvinden bij kernfusie of kernsplijting. Ook astrofysici die neutronensterren onderzoeken hebben er baat bij. Die sterren bestaan namelijk uit extreem dicht op elkaar gepropte neutronen. Je kunt een neutronenster zien als een gigantische atoomkern, met een doorsnee van ongeveer twintig kilometer.

Kleine, compacte kern

Atomen bestaan grotendeels uit lege ruimte: een wolk van elektronen met middenin een piepkleine, compacte atoomkern. Als een atoomkern zo groot zou zijn als een voetbal, dan vind je de elektronen op ten minste 15 kilometer afstand.

Spitsbergen luidt de noodklok
LEES OOK
Spitsbergen luidt de noodklok

Het bestuderen van die piepkleine, compacte atoomkern is lastig. Hoe de protonen en neutronen in de kern zich precies gedragen, is daarom nog grotendeels onbekend. Maar als het aan een groep onderzoekers van MIT ligt, dan hebben atoomkernen binnenkort geen geheimen meer.

Eerder dit jaar presenteerden ze een artikel waarin ze beschreven hoe de sterke kernkracht werkt op extreem kleine afstanden. Deze kracht is een soort onzichtbare lijm die de protonen en neutronen in een atoomkern bij elkaar houdt. De onderzoekers ontdekten toen dat protonen en neutronen zich zelfs bij hoge dichtheden zoals in een atoomkern blijven gedragen als losse deeltjes. Ze smelten niet samen tot een ondefinieerbare materiesoep.

Gesimuleerde dans

Nu hebben de onderzoekers het geduw en getrek van deeltjes in atoomkernen gesimuleerd met krachtige supercomputers. Ze vergeleken verschillende theoretische modellen die het gedrag van kerndeeltjes trachten te beschrijven. Verrassend genoeg bleken de beste resultaten afkomstig van formules die gebruikt worden om atomen in een gas te beschrijven.

Als je in zou zoomen tot de schaal van atomen en moleculen, dan zou gas er uitzien als een chaotisch feestje. Deeltjes vliegen heen en weer, draaien soms even om elkaar heen en schieten weer verder. Fysici hebben dit schijnbaar willekeurige en rommelige gedrag gevat in slimme formules waarmee ze de eigenschappen van een gas kunnen voorspellen.

Die formules blijken nu dus ook het deeltjesgedrag in atoomkernen te beschrijven. ‘Men had dit niet verwacht, omdat kernen tot de meest gecompliceerde objecten in de natuurkunde behoren’, zegt Or Hen, natuurkundige aan MIT. Daarnaast heeft in een atoomkern een extreem veel hogere dichtheid dan in een gas.

De simulaties hadden nog een verrassing in petto. Kerndeeltjes die zich een biljardste van een meter of minder bij elkaar vandaan bevinden, kunnen paren vormen. Het blijkt nu dat dat in kleine atoomkernen, zoals die van helium, op dezelfde manier gebeurt als in grotere, meer dichtbevolkte kernen, zoals die van calcium. De paren trekken zich kennelijk niets aan van de hoeveelheid deeltjes om zich heen. Ze zien alleen elkaar.

‘Onze bevinding biedt een nieuwe en eenvoudige manier om vast te stellen wat er op de kortste onderlinge afstanden gebeurt. Samen met de bestaande theorieën maakt dit een completer beeld van de atoomkern mogelijk’, besluit Hen.