Natuurkundigen hebben een nieuwe manier gevonden om met een deeltjesversneller het binnenste van atoomkernen te bestuderen. Daarvoor maken ze gebruik van een nieuwe vorm van quantumverstrengeling, die nog niet eerder was waargenomen.
Atoomkernen bestaan uit positief geladen protonen en ladingsloze neutronen. Die kerndeeltjes zijn op hun beurt opgebouwd uit quarks, die bij elkaar gehouden worden door gluonen, die als een soort lijm werken.
‘Wij willen begrijpen hoe die quarks en gluonen precies atoomkernen vormen’, mailt fysicus Daniel Brandenburg van Ohio State University. Daarover zijn nog veel open vragen. Bijvoorbeeld hoe de vorm en grootte van de kern afhankelijk zijn van de energie van een atoomkern. Dat kan namelijk invloed hebben op hoe sterren zich vormen, en hoe groot ze worden.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Atoomkernen in wolk van licht
Geen enkele microscoop is gevoelig genoeg om diep in atoomkernen te kijken. Protonen en neutronen zijn slechts ongeveer een femtometer groot, dat is een biljoenste van een millimeter. Brandenburg en zijn collega’s hebben daarom een andere strategie ontwikkeld, waarover ze publiceren in Science. Daarbij versnellen ze positief geladen goudkernen tot bijna de lichtsnelheid in de Amerikaanse deeltjesversneller RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider).
Door de hoge snelheid, in combinatie met de lading, vormt zich om elke goudkern een wolk van lichtdeeltjes, of fotonen. Als twee goudkernen vlak langs elkaar vliegen, zonder te botsen, dan kunnen de fotonen van de ene goudkern wisselwerken met de gluonen in de andere. Bij die wisselwerking ontstaan twee tegengesteld geladen deeltjes, genaamd pionen.
Door met een gevoelige detector de positief geladen pionen en hun negatief geladen broertjes op te vangen, kunnen natuurkundigen iets leren over de wisselwerking tussen de fotonen en de gluonen in de atoomkernen. Daarmee kunnen ze dan weer in kaart brengen hoe de gluonen verdeeld zitten over de kern.
Bijzondere quantumverstrengeling
Toen de fysici deze pionen gingen meten met een van de RHIC-detectoren, kwamen ze erachter dat er iets bijzonders mee aan de hand is. Het positief geladen pion dat ontstaat blijkt quantummechanisch verstrengeld te zijn met het negatief geladen pion.
Als deeltjes met elkaar verstrengeld zijn, hebben ze een bijzondere band waardoor bepaalde eigenschappen gekoppeld zijn. Als je zo’n eigenschap, bijvoorbeeld in welke richting het deeltje om zijn as draait, verandert bij de ene deeltje, dan verandert dat ook bij het andere deeltje, ook als de deeltjes ver van elkaar verwijderd zijn.
Quantumverstrengeling tussen deeltjes is niet nieuw. Maar meestal zijn het twee identieke deeltjes die verstrengeld raken, bijvoorbeeld twee fotonen of twee elektronen. In dit geval waren het twee verschillende deeltjes. Brandenburg: ‘Dit leert ons dat verstrengeling mogelijk is op nieuwe manieren en op nieuwe plekken die we eerder niet verwachtten.’
Beter dankzij verstrengeling
De quantumverstrengeling van de pionen is meer dan een leuke bijkomstigheid. Het maakt de meting aan de atoomkern nauwkeuriger. ‘Zonder de verstrengeling zou het zijn alsof we door een camera met een troebele lens kijken’, zegt Brandenburg. ‘Dankzij deze op verstrengeling gebaseerde techniek kunnen we atoomkernen bij hoge energie tien tot honderd keer nauwkeuriger bestuderen dan tot nu toe mogelijk was.’
Dit maakte het voor het eerst mogelijk om een beeld te krijgen van het binnenste van een atoomkern. Zo zagen ze bijvoorbeeld dat protonen in de atoomkernen bij hoge snelheid (en dus hoge energie) samenklonteren in het midden terwijl de neutronen een schil vormen aan de buitenkant.
De verstrengelde pionen die in de deeltjesversneller ontstaan, zijn een kadootje van de natuur dat de meting beter maakt. Maar wat de fysici nog niet goed begrijpen is hoe het kan dat de pionen met elkaar verstrengeld raken. Op die vraag hopen ze binnenkort een antwoord te vinden.
