De sterke kernkracht houdt als een onzichtbare lijm de deeltjes in atoomkernen bijeen. Hij is verantwoordelijk voor het geduw en getrek tussen de protonen en neutronen die atoomkernen bevolken. Fysici hebben nu ingezoomd op de werking van deze kracht op extreem korte afstanden, waar protonen en neutronen praktisch overlappen.

In de gemiddelde atoomkern bevinden protonen en neutronen zich zo ver bij elkaar vandaan dat je ze kunt beschrijven als aparte deeltjes. Onder die omstandigheden kunnen fysici de effecten van de sterke kernkracht goed begrijpen en voorspellen.

Welkom in het metaverse
LEES OOK
Welkom in het metaverse

Maar de theoretische beschrijvingen doen geen voorspellingen over kerndeeltjes die zo dicht op elkaar gepakt zitten dat ze praktisch overlappen. Die toestand komt op aarde nauwelijks voor. Wel zien we hem in het binnenste van neutronensterren en andere compacte astronomische objecten.

Soep van quarks

De sterke kernkracht is een van de vier fundamentele natuurkrachten, naast de elektromagnetische kracht, de zwaartekracht en de zwakke kernkracht. Zoals de naam doet vermoeden, is het een sterke kracht. Hij werkt echter alleen op kerndeeltjes die dicht bij elkaar zijn, zoals in een atoomkern. Op grotere afstanden heeft hij geen effect.

Fysici hebben nu voor het eerst beschreven hoe de sterke kernkracht zich gedraagt op extreem kleine afstanden. Tot hun verbazing blijken de huidige theorieën ook deze schaal goed beschrijven. Je kunt blijven uitgaan van protonen en neutronen als losse deeltjes. Zelfs als protonen en neutronen praktisch overlappen, hoef je nauwelijks rekening te houden met de complexe interacties tussen de deeltjes waar de kerndeeltjes zelf uit zijn opgebouwd: quarks en gluonen.

‘Men verwachtte dat systemen met een enorm hoge dichtheid het beste te beschrijven zijn als een soep van quarks en gluonen’, zegt Or Hen, onderzoeker aan de Amerikaanse universiteit MIT. ‘Maar we hebben ontdekt dat we de interacties zelfs bij de hoogste dichtheden kunnen beschrijven met neutronen en protonen. Die identiteit blijft; ze veranderen niet in een zakje quarks. Dat betekent dat de kernen van neutronensterren mogelijk simpeler zijn dan men dacht. Dat is een grote verrassing.’

Neutronenster-druppels

In atoomkernen op aarde zit maar af en toe een kerndeeltjespaar extreem dicht op elkaar. Om deze gevallen te onderzoeken, schoten fysici een bundel met energierijke elektronen af op atoomkernen van koolstof, aluminium, ijzer en lood. Af en toe lukt het een elektron een paartje kerndeeltjes uit een atoomkern te trappen. Door de eigenschappen van het afgeketste elektron en de twee weggeschoten kerndeeltjes te meten, konden de onderzoekers de wisselwerking tussen de kerndeeltjes afleiden.

‘Om deze experimenten te doen, heb je absurd krachtige elektronenversnellers nodig’, zegt Hen. ‘Het is daarom pas sinds kort mogelijkheid om dit werk te doen.’ Met deze techniek keken ze naar de eigenschappen en onderlinge afstand van een honderdtal ‘neutronenster-druppels’, zoals Hen de kerndeeltjes paren noemt.

Fysici hebben momentopnames vergeleken van kerndeeltjesparen, gescheiden door verschillende afstanden. Ze zagen voor het eerst hoe de sterke kernkracht op extreem kleine afstanden werkt.

Model voor sterke kernkracht

De fysici toonden onder andere aan dat wanneer kerndeeltjes extreem dicht op elkaar zitten, de sterke kernkracht ervoor zorgt dat ze elkaar afstoten. Dit werd eerder al voorspeld. Het verschijnsel verklaart waarom neutronensterren, die een extreem hoge dichtheid hebben en bijna volledig uit neutronen bestaan, niet ineenstorten.

Deze observaties bleken goed overeen te komen met het kernfysisch model ‘Argonne V18′, ontwikkeld door een onderzoeksgroep van het Argonne National Laboratory in de VS. Hen stelt astrofysici voor om dit model te gebruiken om het binnenste van neutronensterren te beschrijven.

Om er zeker van te zijn dat hun resultaten standhouden, gaan de fysici het onderzoek te herhalen met nog nauwkeurigere metingen aan andere atoomkernen.

Deeltjes
LEESTIP: de beste verhalen over deeltjesfysica uit New Scientist vind je terug in deze special, te koop in onze webshop.