Een ongeëvenaard zware versie van zuurstof is veel minder stabiel dan verwacht. Dat druist in tegen ons begrip van de sterke kernkracht.

Natuurkundigen hebben de zwaarste versie van zuurstof ooit gemaakt. Deze zware zuurstof valt op mysterieuze wijze snel uit elkaar. Dat bewijst dat we een fundamentele natuurkracht niet goed begrepen hebben.

Superzwaar

Natuurkundige Yosuke Kondo van het Tokyo Institute of Technology in Japan en zijn collega’s maakten zuurstof-28: een isotoop van zuurstof met 8 protonen en 20 neutronen in de kern. Dit deden ze door een bundel fluoratomen met hoge snelheid op vloeibare waterstof te schieten.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

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 ...

De fluoratomen hadden elk 20 neutronen en 9 protonen. Toen ze botsten met de vloeibare waterstof verloren ze elk een proton, waardoor de kernen veranderden in zuurstof-28.

Zeptoseconde

De onderzoekers verwachtten dat deze atomen stabiel zouden zijn. In plaats daarvan bleken ze slechts ongeveer een zeptoseconde (10-21 seconde) lang te bestaan. Daarna vervielen de atomen tot de minder zware zuurstof-24 en vier neutronen. De onderzoekers beschreven dit gedrag in het wetenschappelijk tijdschrift Nature

‘Dit is extreem verrassend. Het werpt een heel, heel grote fundamentele vraag op over de sterkste natuurkracht: de sterke kernkracht’, zegt kernfysicus Rituparna Kanungo van de Saint Mary’s University in Canada, niet betrokken bij het experiment. De sterke kracht bindt elementaire deeltjes, quarks, samen tot protonen en neutronen. Ons begrip van hoe dit precies werkt bij grote aantallen deeltjes is op dit moment onvolledig, zegt ze.

Dubbel magisch

Kondo en zijn team verwachtten dat zuurstof-28 veel langer zou blijven bestaan, omdat het ‘dubbel magisch’ zou zijn. In de kern van elk atoom zijn protonen en neutronen gegroepeerd in schillen, die elk plaats bieden aan specifieke aantallen deeltjes. Als alle bezette schillen volledig gevuld zijn, wordt het aantal deeltjes erin ‘magisch’ genoemd en is de kern extreem stabiel. Als zowel protonen als neutronen de schillen van een atoom volledig vullen, wordt de atoomkern ‘dubbel magisch’ genoemd. De zuurstof dat het leven op aarde in stand houdt, heeft deze eigenschap, waardoor er ook zo veel van bestaat.

Door onderzoek naar isotopen zoals calcium-40 en nikkel-48, zijn er zeven getallen bekend die algemeen erkend worden als ’magisch’. Voor neutronen is dat onder meer het getal 20. Het nieuwe experiment trekt dit in twijfel.

De theorie zal herzien moeten worden. Ook moeten er meer experimenten worden gedaan om een idee te krijgen van wat de deeltjes in zuurstof-28 dan wel doen, zegt Kanungo. Blijkbaar vormen ze namelijk geen netjes stabiele schillen, zoals van ze verwacht wordt.