proton

Deeltjesfysici ontdekten met de Large Hadron Collider iets totaal onverwachts. Bij botsingen van protonen bleken bepaalde deeltjes die ontstaan uit de botsing exact dezelfde richting op te vliegen. Frank Wilczek denkt dat het proton daarmee een nog onbekende structuur herbergt.

In de zomer van 2010 stelden CERN-natuurkundigen vast dat enkele deeltjes in de gemiddeld 110 deeltjes die vrijkomen als twee protonen met grof geweld tegen elkaar worden gebeukt, hun banen synchroniseren zoals een vlucht vogels. Dit was een zo bizar verschijnsel dat de waarnemers eerst hun ogen niet konden geloven en keer op keer waarnemingen overdeden, stelt Guido Tonelli, een van de onderzoekers.

Frank Wilczek, die het gedrag van gluons verklaarde en daarmee de Nobelprijs natuurkunde won, denkt daarom dat de experimenten van het LHC een nog onbekende, diepe structuur van protonen blootleggen. Het is ook mogelijk dat de deeltjes op nog onbekende wijze met elkaar reageren. Bij deze hogere energieën kan namelijk een kijkje worden genomen bij een scherpere ruimte-en tijd resolutie dan ooit tevoren, stelt Wilczek. Hij denkt dat de gluons in het proton met elkaar verstrengeld zijn en die verstrengeling bij interactie overdragen aan andere deeltjes. De merkwaardige correlatrie zou hierdoor verklaard kunnen worden, denkt hij.

Al eerder schreven we over de merkwaardige effecten van muonen op de grootte van het proton.

Wat de oorzaak ook is, één ding is duidelijk. Zelfs in een massaal voorkomend deeltje als het proton (ongeveer driekwart van alle materie in het heelal  is waterstof-1, bestaande uit een proton en een elektron), waarvan wetenschappers dachten dat ze het goed begrepen, blijken zich nog verrassend veel onbekende en merkwaardige fenomenen schuil te houden. Ons begrip van de realiteit is groot, maar herbergt nog veel donkere plekken. De natuurkunde is nog verre van voltooid. Kortom: wetenschap is nog steeds erg spannend.

Bron: ArXiv

Kernfysici dachten dat ze het allemaal zo goed begrepen. In een proton zitten drie harde pitten, quarks, die elkaar door het uitwisselen van gluonen bij elkaar houden. Hun gedrag wordt beschreven door de kwantumchromodynamica. De rest door de kwantumelektrodynamica. Maar helaas voor hen, er lijkt iets helemaal mis te zijn met die theorie…

Kwantumchromodynamica, de zwakke broeder van de Grote Drie
Er zijn drie grote theorieën die ten grondslag liggen van de hele natuurkunde: de algemene relativiteitstheorie van Einstein en een aantal kwantumtheorieën: kwantumelektrodynamica (QED), door Steven Weinberg en Abdus Salaam samengevoegd met de kwantumtheorie van de zwakke kernkracht tot één elektrozwakke kwantumtheorie en de QCD, kwantumchromodynamica die de sterke kernkracht beschrijft.

Die laatste twee theorieën samen heten wel het Standaardmodel, omdat ze samen alle bekende deeltjes beschrijven.

Juist met die laatste kernkracht, die de quarks, protonen en neutronen bij elkaar houdt, is iets stevig mis. Het blijkt namelijk  uit experimenten met muonen – een soort zware elektronen – waarbij de aantrekkingskracht tussen muon en proton werd gemeten, dat een proton vier procent kleiner is dan verwacht. Deze uitkomst is onverwacht. Kwantumelektrodynamica is namelijk extreem nauwkeurig: tot op dertien decimalen. Er is in tachtig jaar nog geen enkele experimentele uitkomst geweest die in strijd is met QED of de algemene relativiteitstheorie. Bij kwantumchromodynamica ligt dat anders. De massa’s van quarks zijn bijvoorbeeld veel onnauwkeuriger bekend. Het vereist hels ingewikkelde berekeningen en monsterlijk grote computers om de ingewikkelde interacties tussen de quarks in een enkel minuscuul proton te beschrijven, een deeltje honderdduizend maal kleiner dan een atoom (en zelfs dan is de uitkomst nog maar een benadering).

Opmerkelijk genoeg bleek een zeer nauwkeurige nameting van de protonradius, door ze met elektronen te beschieten en door de energieniveaus van waterstof te meten (waterstof bestaat uit een proton en een elektron) weer exact de ‘oude’ waarde op te leveren.

Geknoei?
Van alle verzonnen verklaringen blijkt er eigenlijk maar één de afwijkingen exact te verklaren. QED moet aangepast worden. Om precies te zijn: de Diracvergelijking die het gedrag van elektronen verklaart. Volgens de bedenkers zijn er hyperfijne interacties (tot zesdemacht interacties of perturbaties, o.m. spininteracties) die bij muonen optreden, die beschreven worden door de Pure Bound Field theorie (PBFT). Veel natuurkundigen vinden dit heiligschennis, ook omdat de Diracvergelijking zo extreem nauwkeurig is voor alle andere gevallen en wiskundig ook erg elegant. Felle protesten tegen het omvormen van deze vergelijking tot een monsterlijk gedrocht zijn dan ook niet van de lucht.

Moeter Natuur moet antwoord geven
Nu de theoretici elkaar in de haren zitten is er eigenlijk maar één oplossing: een experiment. Dit staat nu ook op de rol. Natuurkundigen Pohl en Indelicato, verklaard tegenstanders van het mishandelen van de Diracvergelijking, willen nu de metingen herhalen met deuterium waaromheen een muon cirkelt. De atoomkern van deuterium, zware waterstof, bevat niet alleen een proton maar ook een neutron. Ze hopen hiermee een nauwkeuriger beeld te krijgen van wat er precies op protonniveau plaatsvindt.

Kortom: berichten over het overlijden van de experimentele natuurkunde en een komende zogeheten Theorie van Alles, zoals Hawking en snaartheoretici denken, zijn uiterst voorbarig. Science fiction schrijvers kunnen voorlopig nog ongestoord blijven fantaseren…

Bron
New Scientist