Op de kaart: het proton, intrigerend werkpaard van de deeltjesfysica

19 december 2019

PROFIEL De nieuwjaarskaart van het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef laat dit jaar een artists impression zien van het proton, werkpaard van de deeltjesfysica. Visualisator Daniel Rodriguez van CERN tekende de melée van quarks en gluonen en hun virtuele antideeltjes eerder voor het blad CERN Courier.

De prent laat een hedendaagse opvatting zien van de quantumwarboel die in het proton bestaat. Het proton is de kern van een waterstofatoom. Maar wat van buiten als een kerndeeltje oogt, is in werkelijkheid een beweeglijke combinatie van twee up-quarks en een downquark. Deze basisdeeltjes worden bij elkaar gehouden door voortdurende uitwisseling van ronddansende gluonen, die de sterke kernkracht opleveren.

Quantumwetten
In het proton gelden echter de wetten van de quantumwereld, zodat grootheden niet scherp bepaald zijn. De gluonen vormen daardoor ondertussen ook zelf kortstondig talloze virtuele deeltjes die meteen ook weer verdwijnen. Dit maakt de theorie van het inwendige van het proton veel ingewikkelder dan voor drie keurig met elkaar verbonden quarks zou gelden. Daardoor is bijvoorbeeld ook de afmeting van een proton onderwerp van discussie, die pas onlangs werd bezworen.

Tegelijk is het proton een van de belangrijkste werkpaarden van de hedendaagse deeltjesfysica. In de Large Hadron Collider (LHC) van CERN in Genève botsen protonen met enorme energie op elkaar, waarna nieuwe deeltjes kunnen ontstaan. Die worden met detectoren als ATLAS en LHCb bekeken.

Inwendige structuur
Dat het proton een inwendige structuur heeft, maakt de interpretatie en analyse van zulke botsingen wel ingewikkelder dan met alleen botsende puntdeeltjes. Sommigen vergelijken het met het zoeken naar het bouwplan van een mechanisch horloge door talloze horloges hard op elkaar te schieten.

Door naar de productie van deeltjes uit protonbotsingen te kijken, kunnen de basisprocessen van de deeltjeswereld worden ontrafeld. Op 4 juli 2012 werd uit zulke metingen het bestaan van het higgsdeeltje bewezen door de CMS en ATLAS-detectoren op CERN. Het higgsveld geeft andere elementaire deeltjes hun massa en geldt als de sluitsteen van het Standaard Model van de deeltjesfysica.

Eeuwfeest
In 2019 was het 100 jaar geleden dat Ernest Rutherford in Cambridge het proton ontdekte bij de bestraling van stikstof. Daarbij kwamen kernen van waterstof vrij, het lichtst bekende element van het periodiek systeem. Kennelijk was die waterstofkern een onderdeel van stikstofkernen.

Dat atomen solide kernen moesten hebben, omringd door elektronen, had hij in 1910 al ontdekt. Rutherford en zijn team zagen in een experiment met goudfolie dat elektronen daar dwars doorheen vliegen, maar soms opeens hard teruggekaatst worden. ‘Alsof een vel papier een kanonskogel tegenhoudt’, was het verbaasde commentaar.

In die tijd gold het proton als een elementair deeltje met een positieve elektrische lading precies tegengesteld aan de elektronlading, waaruit alle zwaardere atoomkernen waren gebouwd. Rutherford voorspelde later ook dat er een elektrisch neutraal kerndeeltje moest zijn, het neutron.

Drie quarks
Het beeld van het elementaire proton bleef tot in de jaren 60 van de vorige eeuw bestaan. Toen maakten botsingsexperimenten van elektronen op protonen met versnellers op SLAC in Stanford duidelijk dat het proton een inwendige structuur met afzonderlijke puntdeeltjes moest hebben.

In 1964 stelden Zweig en Gell-Mann het bestaan van quarks voor. Het proton was gebouwd uit zulke deeltjes, die een gebroken lading moesten hebben. In de jaren 70 en 80 ontstaat gaandeweg een gecompliceerder beeld, van een zee van quarks en antiquarks die gemiddeld op twee up en een downquark neerkomen.

Raadsel
Tegelijk ontstaat een theoretisch raadsel, omdat de quarks maar de helft van de spin van het proton verklaren. De andere helft, wordt gaandeweg duidelijk, komt van andere deeltjes in het proton: gluons. Die binden de quarks haast onbreekbaar aan elkaar via de sterke wisselwerking, een van de vier fundamentele natuurkrachten. In 1974 wordt de theorie daarvan geformuleerd, de quantumchromodynamica QCD.

Experimenten met versnellers op DESY in Hamburg en Fermilab in de VS en later op CERN in Genève blijven nieuwe inzichten in het bruisende inwendige van het proton geven. En ook nu zij de theoretici nog lang niet klaar met het proton. Zelfs ogenschijnlijk eenvoudige eigenschappen als zijn massa, zijn lading en zijn spin blijken nog steeds niet goed uit basisprincipes af te leiden. Metingen met de huidige LHC en toekomstige versnellers blijven cruciaal.