Protonen zijn ingewikkelder dan we dachten — en dit ontdekten onderzoekers

Oké, hier moet je even voor gaan zitten. Onderzoekers hebben iets gevonden ín protonen, en eerlijk? Ik kon mijn enthousiasme nauwelijks bedwingen.

Je herinnert je vast nog wel van scheikunde dat protonen uit drie kleinere deeltjes bestaan: quarks. En dat er iets is dat ze bij elkaar houdt. Gluonen, heet dat. Simpel, toch? Nou, zo simpel blijkt het dus niet te zijn.

Wat we dachten te weten

Jarenlang gingen wetenschappers ervan uit dat quarks helemaal alleen verantwoordelijk waren voor het zogeheten baryongetal van een proton. Elk van de drie quarks droeg een derde deel. Klassieke lesstof. Basiskennis.

Gluonen? Die waren er gewoon om de boel aan elkaar te plakken. Verder niet zo interessant.

De doorbraak

Maar nu komt het. Een team werkzaam bij de STAR-detector in New York — onderdeel van de Relativistische Zware Ionen Collider — heeft bewijs gevonden dat gluonen misschien toch niet zo onbelangrijk zijn als we altijd dachten.

De onderzoekers zagen namelijk iets vreemds gebeuren bij botsingen: er kwamen meer baryonen uit zijwaarts dan je zou verwachten. Alsof er ergens diep in het proton een verbinding zit die meespeelt bij het transport van baryongetal.

"Wat we zagen, ondersteunt sterk dat gluonen in bepaalde configuraties het baryongetal kunnen dragen en vervoeren," legde onderzoeker Zhangbu Xu uit.

In deze speciale configuratie. Ja, zo klinkt het alsof gluonen gewoon wachten tot ze kunnen showen.

Waarom dit belangrijk is

Even step back: wat is baryongetal eigenlijk? Heel kort gezegd is het een fundamentele regel die bepaalt dat het totale aantal protonen en neutronen nooit verandert. Nooit. Niet één keer, nergens in het universum.

"Al sinds de oerknal blijft het aantal protonen en neutronen samen gelijk," vertelde natuurkundige Nicole Lewis van Rice University. "Waarom precies? Dat begrijpen we niet goed. Het is een van de grote mysteries — en het heeft te maken met de vraag waarom er meer materie dan antimaterie is."

Wacht even. Meer materie dan antimaterie?

Ja, dit raakt aan een van de grootste puzzels van de natuurkunde. Hoe kon het universum zo uitblinken in asymmetrie? Baryongetalbehoud speelt hier mogelijk een rol.

Maar er is ook iets heel praktisch: diezelfde behoudswet is de reden dat protonen zo ongelofelijk stabiel zijn.

"Men denkt dat een proton langer leeft dan het hele universum," zei Lewis. "Zonder die stabiliteit zouden atoomkernen niet kunnen bestaan. Wij dus ook niet."

Dus ja, bedank je proton dat je dit artikel kunt lezen.

Je lesboek is achterhaald (een beetje)

Als dit klopt, dan is het plaatje dat we studenten al decennia voorschotelen... onvolledig.

"In het eenvoudige quarkmodel zitten drie quarks in een proton, en verder niets," legde onderzoeker Tommy Tsang uit. "Maar als je beter kijkt, zie je dat er veel meer gebeurt. Gluonen verbinden de quarks, en er duiken constant quarks en antiquarks op uit het niets. Een proton is eigenlijk een chaotische bende."

Kortom: protonen zijn geen nette trioetjes, maar een drukke kermis van deeltjes die in- en uitfladderen.

En nu?

Dit is geen definitief bewijs. Het is meer een: "dit is veelbelovend, we gaan door."

De resultaten ondersteunen het idee van de gluonverbinding, maar de wetenschappelijke gemeenschap zal meer willen zien. En dat is goed. Zo werkt wetenschap.

Toch: stel je voor dat gluonen echt baryongetal kunnen dragen. Dan moeten we our begrip van de fundamentele krachten herzien. Van de kleinste deeltjes tot de structuur van het hele universum.

Wetenschap op z'n best. We denken iets te begrijpen, kijken net wat beter, en ontdekken dat het universum vreemder en wonderlijker is dan we ooit hadden bedacht.