Protonen, de deeltjes die in atoomkernen zitten, vertonen quantumgedrag dat we nooit eerder hebben waargenomen. Dat blijkt uit experimenten met deeltjesversnellers.
De binnenkant van protonen heeft meer quantumstructuren dan we tot nu toe wisten. Dit heeft een grote impact op ons beeld van deze deeltjes die in de kern van elk atoom zitten.
Natuurkundigen weten al lang dat protonen bestaan uit nog kleinere deeltjes: zogenoemde quarks en gluonen. Maar de details van hun gedrag en verdeling waren tot nu toe moeilijk vast te stellen.
Het is van groot belang om te weten hoe dit precies zit. Hoe goed we de binnenkant van het proton begrijpen, bepaalt namelijk hoe goed we experimenten kunnen interpreteren waarin we ze tegen elkaar laten botsen. Het doel van deze experimenten is om nieuwe deeltjes te ontdekken of de geheimen van de fundamentele natuurkrachten te ontrafelen.
Quantumeffecten
Het beste wiskundige hulpmiddel dat natuurkundigen momenteel hebben om de binnenkant van het proton te begrijpen, is het zogenoemde partonmodel. Hiermee kunnen ze de dichtheid van de deeltjes in het proton met behulp van waarschijnlijkheden berekenen. Zo kunnen ze bijvoorbeeld vaststellen hoe de samenstelling van protonen eruitziet in proeven met deeltjesversnellers.
‘Het partonmodel is buitengewoon zinvol: het vormt de belangrijkste bron van al onze kennis over de interne structuur van het proton. Maar als je kijkt naar de huidige stand van zaken, dan zie je dat het onderliggende idee vrij klassiek is’, zegt natuurkundige Alexey Vladimirov van de Complutense-universiteit van Madrid. ‘Dit klopt natuurlijk niet, want we weten dat de quantummechanica bestaat.’
Onderzoekers hebben sinds de jaren tachtig theorieën ontwikkeld over quantumeffecten in protonen en daarnaar gezocht, zegt Vladimirov. In de loop der jaren leidden verschillende experimenten tot onduidelijke en soms tegenstrijdige conclusies.
Geen klassieke deeltjes
Om een duidelijker beeld te krijgen, richtten Vladimirov en zijn collega’s zich op één proces: interferentie. Interferentie is kenmerkend voor quantumgedrag, omdat quantumdeeltjes, zoals quarks en gluonen, eigenschappen hebben van golven. Interferentie komt erop neer dat twee quantummateriegolven op sommige plaatsen overlappen en elkaar versterken. Op andere plaatsen heffen ze elkaar juist op. Wiskundig gezien tel je in de klassieke natuurkunde twee waarschijnlijkheden simpelweg bij elkaar op. Bij interferentie daarentegen, levert het combineren ervan meer wiskundige termen op dan alleen de optelsom.
De onderzoekers bedachten een manier om wiskundige kenmerken van quantuminterferentie te halen uit een combinatie van zeer verschillende datasets. Sommige gegevens waren bijvoorbeeld afkomstig van het CERN-deeltjeslaboratorium in Zwitserland. Andere gegevens kwamen van het Duitse deeltjeslaboratorium DESY. De meetgegevens kwamen uit verschillende soorten experimenten, die niet ontworpen zijn om naar interferentie te zoeken.
‘Alle eerdere onderzoeken mislukten omdat men probeerde naar slechts één bron van gegevens te kijken’, zegt Vladimirov. Het was een grote technische uitdaging om alle gegevens samen te brengen, maar het leverde nieuwe inzichten op. De natuurkundigen konden specifieke voorbeelden van quantuminterferentie binnen een proton identificeren. Ze concludeerden bijvoorbeeld dat een gluon interfereert met een combinatie van een quark en zijn antimaterietegenhanger, een antiquark.
Vladimirov zegt dat dit resultaat onderstreept dat natuurkundigen zich beter bewust moeten zijn van het quantumkarakter van het proton. ‘Algemeen wordt aangenomen dat het proton bijna een klassieke verzameling deeltjes is. We tonen nu aan dat dit niet zo is. Het quantumkarakter is sterker dan doorgaans wordt gedacht’, zegt hij.
Verrassend quantumkarakter
‘Dit onderzoek is heel waardevol, omdat het veel informatie uit verschillende bronnen bevat. Bovendien laten de gegevens duidelijk zien dat deze kleine effecten als gevolg van quantuminterferentie aanwezig zijn in natuurkundige processen’, zegt natuurkundige Vladimir Braun van de Universiteit van Regensburg in Duitsland, die niet bij het onderzoek betrokken was.
Dit is de eerste keer dat zo’n uitgebreide analyse is uitgevoerd. Volgens Braun geven de resultaten aanleiding tot verdere experimenten. Zo zouden toekomstige experimenten bij bijvoorbeeld de Thomas Jefferson-versnellerfaciliteit in de VS meer aanwijzingen voor quantuminterferentie kunnen opleveren. Vervolgens kunnen natuurkundigen wat ze geleerd hebben in verband brengen met bijzondere effecten die optreden bij botsingen van deeltjes.
Braun heeft nooit getwijfeld aan het quantumkarakter van het proton. Toch was hij verrast door de details van de interferentie die in het nieuwe onderzoek naar voren kwamen. ‘Ik houd me al veertig jaar bezig met dit soort natuurkunde, en ik had verwacht dat de grote effecten zich op een andere plek zouden voordoen’, zegt hij.
Fundamentele krachten
De natuurkundigen willen hun dataset en analyse nog verder uitbreiden en zo de zekerheid van hun bevindingen vergroten. Daarnaast rest de vraag wat dit nu precies betekent voor hoe de binnenkant van het proton er daadwerkelijk uitziet. Het interferentie-effect heeft bijvoorbeeld te maken met de quantummechanische spin van quarks en gluonen, die tot nu toe niet goed begrepen is.
Wetenschappers moeten ook nog uitzoeken wat het verband is tussen interferentie en de krachten die op quarks en gluonen inwerken, zegt Vladimirov. De sterke kernkracht die quarks aan elkaar bindt, is een van de vier fundamentele natuurkrachten. Inzicht hierin kan ons dus een beter begrip geven van de wetten van ons universum.
Geef een reactie