In protonen is niet elke soort antimaterie evenveel aanwezig. Natuurkundigen hebben nog geen verklaring voor deze onevenwichtige verdeling.

Je verwacht het misschien niet, maar protonen – de positief geladen deeltjes die in de kern van elk atoom huizen – bevatten antimaterie. En het wordt nog gekker. Van de ene soort antimaterie is er meer aanwezig in protonen dan van de andere soort. Dit blijkt uit onderzoek dat recent gepubliceerd is in Nature. Voor deze antimaterie-asymmetrie is nog geen goede verklaring.

Protonen zijn een van de meest voorkomende subatomaire deeltjes. In de deeltjesversneller LHC bij Genève worden bundels met honderden miljarden protonen versneld en op elkaar geknald. In de brokstukken van zulke botsingen werd in 2012 bijvoorbeeld het higgsdeeltje aangetroffen. Maar hoewel protonen veelvoorkomend en veelgebruikt zijn, hebben ze nog steeds hun geheimen.

De tijd zal het ­leren
LEES OOK
De tijd zal het ­leren

Zee van quarks

Dat komt doordat het binnenste van protonen lastig te meten én lastig in formules te beschrijven is. Een proton bestaat namelijk uit nog kleinere deeltjes, genaamd quarks. Die quarks worden bij elkaar gehouden door krachtdeeltjes genaamd gluonen. Als je van een afstandje naar een proton kijkt, bestaat deze uit twee verschillende ‘smaken’ quarks: twee upquarks en één downquark.

Als je inzoomt, blijkt het complexer, stelt Paul Reimer van het Argonne National Laboratory in de VS, coauteur van het nieuwe onderzoek. Het proton is volgens hem dan een soort lichtpuntje van energie waarin continu ontzettend veel quark-antiquark-paren plotseling verschijnen en net zo plotseling weer verdwijnen in een plofje energie – een proces dat annihilatie wordt genoemd. Het proton is dus eigenlijk een zee van opduikende en weer verdwijnende quark-antiquark-paren.

Meer down dan up

Omdat de massa van een up- en downquark bijna gelijk is, was de verwachting dat er in die quarkzee evenveel paren van upquark-anti-upquark zouden ontstaan als paren van downquark-anti-downquark. Maar in 1994 en 2001 verschenen er metingen die erop wezen dat in protonen wat meer anti-downquarks aanwezig waren dan anti-upquarks. Dit waren echter geen eenvoudige metingen. Daardoor was het lastig om zeker te zijn van deze schijnbare asymmetrie tussen de twee ‘smaken’ antideeltjes.

In het nieuwe onderzoek is gebruik gemaakt van verbeterde meettechnieken van de SeaQuest-detector bij het Amerikaanse Fermilab. Uit deze metingen blijkt dat er in de quarkzee inderdaad wat meer anti-downquarks dan anti-upquarks opduiken.

Deze metingen zijn gedaan door versnelde protonen af te vuren op vloeibaar waterstof en deuterium, een zwaardere variant van waterstof. Een waterstofkern bevat één proton; een deuteriumkern één proton en één neutron. Als versnelde protonen op deze doelwitten botsen, dan kunnen anti-quarks uit het ene proton annihileren met quarks uit het andere proton of neutron, legt Reimer uit. SeaQuest kan deze annihilaties detecteren omdat er, via een tussenstap, twee meetbare deeltjes bij ontstaan (een muon en een anti-muon).

Meer metingen

De verhouding tussen anti-upquarks en anti-downquarks in protonen leiden de SeaQuest-onderzoekers uiteindelijk af door aannames te doen over de verschillende manieren waarop deze annihilaties voor protonen en neutronen verlopen. Ze komen erop uit dat bij hun metingen de verhouding anti-downquarks ten opzichte van anti-upquarks 1,4 is.

Er bestaan al enkele theoretische modellen die de antimaterie-asymmetrie in protonen proberen te verklaren, maar op basis van deze metingen valt daaruit nog niet één winnaar aan te wijzen. Er zijn meer metingen nodig om te achterhalen wat precies de reden is.

Combineren

‘Het zijn interessante en waardevolle resultaten’, zegt deeltjesfysicus Juan Rojo van de Vrije Universiteit Amsterdam, niet betrokken bij het onderzoek. ‘Maar het echte werk moet nog beginnen. Er zijn namelijk andere metingen, bijvoorbeeld van de LHC, die ook zulke asymmetrieën aantonen. Alleen door al deze metingen te combineren, kun je echt iets zeggen over de antimaterie in protonen.’

Meer begrip over de antimaterie in het binnenste van protonen is belangrijk voor de metingen die bij de LHC gedaan worden, vervolgt Rojo. ‘Bij de botsingen van protonen, zoals die in de LHC, spelen de anti-quarks een rol. Om de botsingen en de deeltjes die daarbij ontstaan goed te begrijpen, is het dus belangrijk om de samenstellingen van protonen te begrijpen.’

Special deeltjes
Lees alles over de kleinste bouwstenen van het heelal in de New Scientist-themaspecial Deeltjes. Bekijk in onze webshop!