Bij blootstelling aan elektrische en magnetische velden gaan de deeltjes binnenin een proton bewegen, waardoor het proton vervormt. Hoe dit precies komt, blijft voor wetenschappers een raadsel.

Nieuwe metingen wijzen uit dat het proton, een van de twee deeltjes waaruit atoomkernen bestaan, rekbaarder is dan we dachten. Maar natuurkundigen zijn verdeeld over wat dit betekent: verdwijnt deze afwijking weer in toekomstige metingen, of zal onze fundamentele kennis over de structuur van een proton moeten veranderen?

Protonen bevatten drie kleinere deeltjes, genaamd quarks. Deze worden weer bij elkaar gehouden door andere deeltjes: gluonen. Daarnaast zitten er nog kort levende ‘virtuele’ quarks en gluonen en andere deeltjes in. Wanneer een proton wordt blootgesteld aan elektrische en magnetische velden, beginnen deze binnenste bestanddelen te bewegen, omdat ze een elektrische lading hebben. Hierdoor vervormt het proton.

Overkill aan sterrenkunde
LEES OOK
Overkill aan sterrenkunde

De mate waarin het proton kan uitrekken, wordt bepaald door de zogeheten elektrische en magnetische polariseerbaarheid. Deze twee parameters, die veelvuldig zijn gemeten, vertellen ons meer over de interne structuur van het proton. Uit een van de eerste metingen in het jaar 2000 bleek dat, als je kleinere delen van het proton bekijkt, het proton in reactie op de magnetische en elektrische velden kortstondig rekbaarder wordt. Daarna wordt het weer stijver, ofwel moeilijker te vervormen.

Hogere precisie

Maar deze resultaten waren niet heel precies, en recentere experimenten wezen op het tegendeel: als je inzoomt op de kleinere delen wordt het proton juist stijver, wat ook geheel volgens de voorspellingen uit het standaardmodel van de deeltjesfysica is.

Nu heeft Nikolaos Sparveris, kernfysicus aan de Temple-universiteit in Pennsylvania, samen met zijn collega’s de rekbaarheid van een proton met hogere precisie gemeten. Ook hij zag dat bij bepaalde lengteschalen het proton rekbaarder wordt bij zowel elektrische als magnetische velden. Dat kwam ook naar voren in het onderzoek uit 2000. ‘We kijken er met hogere precisie naar’, zegt Sparveris. ‘Dus de bal ligt nu bij de theorie van het standaardmodel.’

Om de rekbaarheid van een proton te meten, vuurden Sparveris en zijn team een bundel van elektronen met lage energie op een doelwit van vloeibaar waterstof, waarvan de atoomkern bestaat uit één proton. In deze opzet gebeurt dan het volgende: als een elektron in waterstof langs een proton beweegt, produceert dat een foton. Dat creëert een elektromagnetisch veld, waardoor het proton vervormt. Door te kijken naar hoe de elektronen en protonen van elkaar wegschieten, kan het team bepalen hoe veel elk proton door elk foton wordt vervormd.

Niet serieus genomen

Hoewel het afwijkende resultaat veel lijkt op dat uit 2000, is de omvang van het effect meer dan gehalveerd. Dat zegt Judith McGovern, theoretisch kernfysicus aan de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk. Het is over het algemeen heel lastig om de polariseerbaarheid van het proton bij lage energie en met hoge precisie te meten, zegt ze.

In de huidige theorieën is er ook geen logische verklaring waarom die polariseerbaarheid zo piekt als bij het resultaat van Sparveris. ‘Ik denk dat de meeste mensen het resultaat uit 2000 niet heel serieus namen. Ik denk dat ze ervan uitgingen dat het niet nog eens gevonden zou worden. En als ik heel eerlijk ben, denk ik dat de meeste mensen er nog steeds vanuit gaan dat het vanzelf verdwijnt.’ Statistisch onwaarschijnlijke afwijkingen in de deeltjes- en kernfysica verdwijnen wel vaker als er meer metingen beschikbaar komen.

Terug naar het lab

Verschillende experimenten, zoals het gebruik van een bundel van positronen – de antimaterie-tegenhanger van het elektron – zouden in de toekomst meer inzicht kunnen geven om te bepalen of er daadwerkelijk sprake is van een afwijking of niet, zegt McGovern.

Sparveris en zijn team zijn wel van plan verder onderzoek te verrichten: ‘We willen elke mogelijkheid uitsluiten dat dit komt door een experimentele parameter of een artefact in ons experiment’, zegt hij.

Als de afwijking in stand blijft, zal er opnieuw gekeken moeten worden naar ons begrip van de structuur van het proton. ‘Andere metingen zullen uitwijzen of dit verschijnsel komt door het experiment, maar er lijkt een echte tegenstrijdigheid te zitten tussen theorie en experiment’, zegt hoogleraar deeltjesfysica Juan Rojo van de Vrije Universiteit in Amsterdam. ‘De vraag is: wat vertelt deze tegenstrijdigheid ons? En, in het bijzonder, wat kunnen we leren over de protonstructuur als we dit soort dingen begrijpen?’