Het deeltje dat eigenlijk niet zou mogen bestaan
Stel je voor dat je een deeltje maakt dat alleen maar aan elkaar blijft door de sterkste kracht in het universum. Geen elektriciteit. Geen magnetisme. Gewoon pure kernkracht. Klinkt onmogelijk? Toch is dat precies wat Japanse fysici nu voor elkaar hebben gekregen.
De zoektocht naar iets zonder lading
Normale materie zit vol elektrische ladingen. Protonen trekken elektronen aan, elektronen stoten elkaar af. Alles heeft lading — behalve één bijzonder deeltje. Het eta-prime-meson. Dat deeltje is elektrisch volkomen neutraal. Het kan geen elektromagnetische krachten voelen. Daarom is het een perfect proefkonijn.
Maar het heeft een probleem. Het is veel zwaarder dan de theorie voorspelt. Al vijftig jaar lang krabben fysici zich achter de oren over die extra massa.
De oude puzzel
In de jaren zeventig wees Steven Weinberg al op een vreemde mismatch. Volgens de eenvoudige regels van de deeltjesfysica zou het eta-prime-meson veel lichter moeten zijn. De oplossing kwam later: een fenomeen dat chirale symmetriebreking heet. Daardoor krijgt het deeltje een groot deel van zijn massa.
En interessant genoeg: als je dat deeltje in een atoomkern zet, zou die massa juist wéér afnemen. Dat was de voorspelling. Maar niemand wist of het ook echt zou lukken.
Een botsing die alles veranderde
Het team van RIKEN besloot het erop te wagen. Ze schoten een protonenbundel op koolstofkernen af. Een proton raakte een neutron los. Dat neutron bond aan een ander proton en werd weggeblazen. Achtergebleven: een koolstof-11-kern met te veel energie.
Soms ontstond daaruit een eta-prime-meson. Het bleef een fractie van een seconde hangen in de kern. Zo kort dat je het nauwelijks kunt detecteren. Desondanks lukte het de onderzoekers.
Hoe ze het signaal vonden
Ze gebruikвали detector WASA. Maar het signaal was klein. Achtergrondruis was honderd tot duizend keer sterker. Toch bleken de gemeten daten precies te passen bij de theorie. De massa van het eta-prime-meson daalde met ongeveer 60 MeV. Dat bevestigde de vermoedens.
Wat dit ons leert
Dit experiment draait niet alleen om een deeltje. Het laat zien hoe massa ontstaat. Want een groot deel van de massa van materie komt niet van de deeltjes zelf — het komt van de krachten die ze bindt. De kernkracht alters de omgeving en daarmee ook de massa.
Nu hebben fysici een nieuw gereedschap om de structuur van het vacuüm te onderzoeken. Dat vacuüm blijkt geen leegte te zijn. Het heeft eigenschappen en structuur.