In sommige soorten helium en waterstof is de kans dat protonen paren vormen meer dan zes keer zo groot als in andere atomen. Dat wijst erop dat we de sterke kernkracht niet helemaal begrijpen.

In sommige atomen blijken protonen onverwachte dingen te doen. Wanneer twee kernen van zulke atomen heel dicht bij elkaar komen, vormen protonen veel vaker paren dan gewoonlijk. Natuurkundigen begrijpen nog niet helemaal waarom dit gebeurt. Het doorgronden van dit fenomeen kan ons inzicht geven in de sterke kernkracht, de kracht die interacties op extreem kleine schaal beheerst.

Natuurkundige John Arrington van het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië richtte met zijn team een bundel zeer energierijke elektronen op een doelwit dat uit twee soorten atomen bestond: een lichtere versie van helium, helium-3 genaamd, en tritium, de radioactieve variant van waterstof. Zo wilden de onderzoekers inzicht krijgen in de interacties tussen protonen en neutronen in de kernen van deze atomen.

Door de stijgende zeespiegel komen steden als Rio en Jakarta tegen 2100 onder water te staan – wat kunnen we doen?
LEES OOK
Door de stijgende zeespiegel komen steden als Rio en Jakarta tegen 2100 onder water te staan – wat kunnen we doen?

Koolstof en lood

Wanneer protonen en neutronen in een atoomkern minder dan een biljardste (10-15) van een meter van elkaar verwijderd zijn, vormen ze kortstondig een paar. Daarna vliegen ze met hoge snelheid weg. Door de snelheid of energie te meten van de elektronen in de bundel die van de paren afketsten, telden de onderzoekers het aantal proton-proton- en het aantal proton-neutronparen.

De uitkomst was onverwacht, zegt Arrington. Bij soortgelijke experimenten in het verleden, waarbij atomen zoals koolstof of lood werden gebruikt, bestond slechts 3 procent van de paren in elke kern uit twee protonen. Bij helium-3 en tritium lag dat aantal dichter bij de 20 procent.

Volgens Arrington zitten de deeltjes in helium-3- en tritiumkernen minder dicht opeengepakt dan in de eerder onderzochte atomen. Dat heeft mogelijk als gevolg dat deeltjes elkaar minder vaak dicht naderen, wat kan leiden tot een grotere voorkeur voor paren van protonen. Een dergelijke onevenwichtigheid kan een effect zijn van de manier waarop kernkrachten op zeer kleine afstanden werken. Dit effect wordt echter nog niet volledig begrepen, zegt Arrington.

Neutronensterren

Natuurkundige Lawrence Weinstein van de Old Dominion-universiteit in Virginia zegt dat het grote aantal protonparen kan wijzen op een onbekende kronkel in de sterke kernkracht. Volgens hem zijn er eerst gedetailleerdere theoretische beschrijvingen van het experiment nodig voordat de bevinding als definitief mag worden beschouwd.

Natuurkundige Mark Strikman van de staatsuniversiteit van Pennsylvania zegt dat als toekomstige studies deze bevindingen bevestigen, natuurkundigen mogelijk anders over neutronensterren gaan denken. In deze sterren zitten deeltjes extreem dicht opeengepakt. Hoe zwaar een neutronenster kan zijn, hangt deels af van hoe neutronen en protonen op elkaar reageren als ze elkaar zo dicht naderen, zegt Strikman.