Bij een meting in 2010 leken protonen ineens 4 procent kleiner dan tot dan toe gedacht. Bijna tien jaar lang zochten wetenschappers naar nieuwe natuurkunde om dat resultaat te verklaren. Nu blijkt dat niet nodig te zijn: een uiterst precieze meting van de straal van een proton bevestigt dat het proton werkelijk een tikje kleiner is dan we voorheen dachten.
Het bepalen van de afmeting van een proton is priegelwerk. Een proton is geen harde knikker met een duidelijke straal. Het is een kluwen die bestaat uit drie elementaire deeltjes, quarks, die bij elkaar worden gehouden door een wolk van gluonen (krachtdeeltjes). Dit geheel beslaat een volume waarvan natuurkundigen nu met grote precisie de straal hebben vastgesteld.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Elektronenenergie
Dat deden de wetenschappers door waterstofatomen te onderzoeken. Waterstof bestaat uit een enkel proton met daaromheen een elektron. Dat elektron kan in verschillende banen om het proton heen draaien.
Als het elektron in de laagste baan zit, de baan het dichtst op het proton, komt het af en toe in het proton terecht. Dat zorgt ervoor dat de elektrische kracht tussen elektron en proton iets afneemt. Hoe groter het proton, hoe meer tijd een elektron erin doorbrengt en hoe zwakker de aantrekkende de kracht tussen de twee is. Als die kracht zwakker is, kost het minder moeite om het elektron in de volgende baan om het proton te laten draaien.
Fysici meten de straal van een proton door met een laser op een gas met waterstofatomen te schijnen. Die laserstraal geeft de elektronen in de atomen een zetje, waardoor ze naar de volgende baan springen. Door te kijken hoeveel energie daarvoor nodig is, meten ze hoe sterk de kracht tussen elektron en proton is. De energie is een directe maat voor de protonstraal.
Muonen en nieuwe natuurkunde
In 2010 maten Duitse onderzoekers op deze manier de straal van protonen. Maar ze gebruikten waterstofatomen waarbij het elektron vervangen was door een muon, het 207 keer zwaardere broertje van het elektron.
Toen zagen ze iets geks. Ze maten een protonstraal van 0,84 femtometer (een femtometer is een biljoenste millimeter). Dat is ongeveer vier procent kleiner dan wat volgde uit zo’n twintig eerdere experimenten waarbij gewone waterstofatomen werden gebruikt. Volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica maakt het voor de straal van een proton niet uit of er een muon of een elektron omheen draait. Maar deze meting leek erop te wijzen dat er wel degelijk een verschil is.
Dat gaf theoretici reden om te gaan speculeren. Zouden er onbekende verschijnselen bestaan die ervoor zorgen dat een proton anders reageert op een elektron dan op een muon? Er verschenen verschillende wetenschappelijke artikelen met suggesties voor spannende nieuwe natuurkunde om de meting te verklaren.
Alledaagse verklaring
Die artikelen kunnen nu bij het oud papier. Canadese onderzoekers voerden een uiterst nauwkeurige meting uit bij protonen in waterstofatomen met een elektron. Volgens die meting is de protonstraal 0,833 (±0,010) femtometer. Dat is – binnen de 0,010 foutmarge – hetzelfde als de Duitse onderzoekers maten met de muonen.
‘Het vereiste precisieniveau om de protongrootte te bepalen, maakte dit de moeilijkste meting die ons laboratorium ooit heeft gedaan’, zegt onderzoeksleider Eric Hessels van York University in Canada. ‘Na acht jaar aan dit experiment te hebben gewerkt, zijn we verheugd met deze uiterst nauwkeurige meting.’
De Canadese meting en het Duitse experiment met muonen waren veel nauwkeuriger dan de eerdere experimenten die een grotere protonstraal maten. De onderzoekers concluderen daarom dat er geen spannende, nieuwe natuurkunde nodig is om de metingen te verklaren. De eerdere metingen hebben het formaat van protonen gewoon overschat. Wat die overschatting veroorzaakte, is onduidelijk, schrijven de onderzoekers.
Randolf Pohl, een van de Duitse onderzoekers die de meting in 2010 uitvoerde, noemt het in Quanta Magazine ‘een fantastisch resultaat’ dat ‘wijst naar de meest alledaagse verklaring’.