Natuurkundigen bij de Amerikaanse deeltjesversneller RHIC hebben het gangbare idee over wat een proton tot materie maakt aan het wankelen gebracht. Een oud idee wordt zo nieuw leven ingeblazen.

Protonen en neutronen, de positief geladen en de neutrale deeltjes waaruit atoomkernen zijn opgebouwd, bestaan zelf uit nog kleinere deeltjes. Die deeltjes, de quarks, hebben ofwel een positieve lading van ⅔, ofwel een negatieve van -⅓. Een proton bestaat uit twee positieve (up) quarks en één negatieve (down), bij een neutron is dat omgekeerd.

Wetenschappers gaan er al jaren van uit dat er bij al die deeltjes iets bewaard blijft. Elk proton en elk neutron telt voor precies één en dat totaal kan niet zomaar groeien of verdwijnen. Dat ligt volgens de gangbare kennis al vast sinds kort na de oerknal. Natuurkundigen noemen dat getal het baryongetal.

Volgens de schoolboeken dragen de drie quarks in protonen en neutronen dat getal. Meer bepaald zou elk van hen een derde van het getal meedragen. In de jaren zeventig van de vorige eeuw kwamen onderzoekers echter met een alternatief voorstel: het getal zit niet in de quarks, maar in een soort Y-vormige knoop van gluonen. Dat zijn de deeltjes die quarks aan elkaar lijmen. Zo’n knoop heeft geen elektrische lading en draagt het hele getal in zijn eentje.

Wat blijft er in het midden?

Om te achterhalen welk van de twee theorieën klopt, keken de onderzoekers naar wat er na een botsing in de versneller achterbleef in het midden. Quarks dragen veel snelheid mee en zijn daardoor moeilijk af te remmen. Na een botsing vliegen ze gewoon door. Een knoop van gluonen blijft makkelijker rondhangen. Hoeveel materie er in het midden overblijft, verraadt dus wie dat getal draagt.

De onderzoekers keken eerst naar botsingen tussen goudkernen waarbij een lichtdeeltje van de ene kern op de andere kern inslaat. En inderdaad: er bleek meer materie achter te blijven dan de quarktheorie toelaat.

Schrijf je in voor de nieuwsbrief! Ook elke dag vers het laatste wetenschapsnieuws in je inbox? Of elke week? Schrijf je hier in voor de nieuwsbrief!
Bijna gelijke kernen

Daarnaast lieten de onderzoekers rutheniumkernen op elkaar botsen. Hetzelfde experiment voerden ze ook uit met zirkonium. Dat zijn twee soorten kernen met evenveel deeltjes, maar met een verschil van vier protonen.

Dit deden ze om apart te meten hoeveel elektrische lading in het midden belandt en hoeveel materie. Als de quarks allebei die eigenschappen zouden dragen, zouden lading en materie gelijk oplopen. Dat bleek na twee miljard botsingen per kernsoort niet het geval. De verhouding die 1 had moeten zijn om de quarktheorie te laten kloppen, bleek bij de meest frontale botsingen 1,84 te zijn.

Nog niet rechtstreeks gemeten

Dit is niet per se bewijs. De metingen zorgen er simpelweg voor dat de quarktheorie minder waarschijnlijk wordt. De Y-vormige knoop bestaat op papier, maar is niet rechtstreeks zichtbaar. Neutronen kan de detector bovendien niet meten; hun aantal is geschat via andere deeltjes.

Uitsluitsel moet van andere deeltjesversnellers komen. Toekomstige metingen bij het Amerikaanse CEBAF, de LHC in Genève en de Electron-Ion Collider moeten meer duidelijkheid brengen. Die laatste wordt momenteel gebouwd in de Verenigde Staten en zou de knoop, als hij bestaat, ook echt in kaart moeten kunnen brengen.

Wil je niets van Scientias missen? Voeg Scientias toe als voorkeursbron op Google dan zie je al onze verhalen!

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:

!