We hebben de druk in een proton gemeten en die blijkt, eh – extreem

Het binnenste van het proton staat onder grote druk. Het centrum van het deeltje wordt samengeperst met een kracht die een miljardmiljardmiljardmaal sterker is dan de druk op de bodem van de Marianentrog, het diepste stukje van de oceaan.

Een atoom, met daarin protonen, met daarin quarks. Quarks die onder hoge druk staan.

Volker Burkert en zijn collega’s van de Amerikaanse Thomas Jefferson National Accelerator Facility hebben voor het eerst de intense condities gemeten die heersen in het binnenste van een proton. Om dat te kunnen doen, moesten ze hun trukendoos alleen wel flink opentrekken.

Protonen bestaan uit drie fundamentele deeltjes genaamd quarks, die aan elkaar kleven dankzij een fundamentele kracht. Die kracht wordt op zijn beurt veroorzaakt door weer andere deeltjes, die gluonen heten. Om dit minuscule materiaal beter in kaart te brengen, schoten Burkert en collega’s een elektronenstraal op een proton. De elektronen droegen een pakketje energie bij zich, dat zich gedraagt als een foton – een lichtdeeltje – en gaven dat vervolgens af aan een van de quarks. Wanneer het elektron daarna tegen een van de quarks stuiterde, onderging het gehele proton een terugslag. Daarop stuurde de quark een ander hoogenergetisch foton uit.

Door te meten hoe het elektron, het proton en het foton aan het eind van het experiment bewogen – inclusief hun impuls en de hoeken waaronder ze wegschoten – konden de onderzoekers een 3D-kaart van de quarks in het binnenste van het proton maken.

LEESTIP Leer de natuur tot op microniveau doorgronden in dit prachtboek van deeltjesfysicus Ivo van Vulpen. Bestel nu in onze webshop.

Nepzwaartekracht

Die kaart vertelt ons alleen nog niet direct iets over het krachtenspel in een proton. Om dat te meten zou je eigenlijk een hypothetisch deeltje nodig hebben: het graviton, het krachtdragende deeltje van de zwaartekracht. Alleen hebben we dat deeltje nog nooit gevonden. En dus moest op dit punt de trukendoos eraan te pas komen.

Met behulp van informatie uit twee fotonen kun je zo’n graviton een beetje nadoen. De twee fotonen – de ene die aan het begin van het experiment geabsorbeerd wordt, en de tweede die aan het eind wordt uitgezonden – nemen het systeem op eenzelfde manier onder de loep als het graviton zou doen, zegt Burkert.

Deze maas in de wet levert dezelfde informatie op, zonder dat je een gravitationele meting moet verrichten. ‘Op die manier kunnen we echt het hart van het proton onderzoeken’, zegt teamlid Latifa Elouadrhiri.

De onderzoekers ontdekten een intense druk van 1035 pascal – dat is tienmaal de druk in het binnenste van een neutronenster, het meest stevig samengepakte object in het universum. Die dichtheid is al een gevolg van extreme druk, maar protonen doorstaan nog meer.

De quarks in het binnenste van een proton worden heftig samengedrukt en proberen zichzelf ondertussen met een enorme kracht naar buiten te duwen. Aan de buitenranden van het proton ontdekte het team een druk die waarschijnlijk veroorzaakt wordt door gluonen. Die druk houdt de quarks bij elkaar. En dat is maar goed ook, want anders zou een proton spontaan ontploffen.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

Plaats een reactie