Onderzoekers van het ALICE-experiment op CERN hebben een nieuwe manier gevonden om de theorie van de sterke kernkracht te toetsen. In Nature publiceren ze deze week metingen aan protonbotsingen in de LHC-versneller waarbij die kracht rechtstreeks zichtbaar wordt.
Bij de botsingen wordt gekeken naar het incidentele ontstaan van zogeheten omega-deeltjes die drie zogeheten strange-quarks bevatten. De beweging na de botsing van die exotische omega’s in de buurt van protonen vertelt iets over hun onderlinge krachten. Berekeningen aan zulke interacties zijn vaak extreem lastig, en lastiger naarmate er meer soorten quarks in het spel zijn.
Basiskrachten
De sterke kernkracht is een van de vier bekende basiskrachten in de natuur. Het is de kracht die in een atoomkernen protonen en neutronen bij elkaar houdt, ondanks de elektrische afstoting van de positief geladen protonen. Dezelfde kernkracht bindt ook de drietallen quarks in de protonen en neutronen.
In gewone materie zijn dat combinaties van up en down-quarks, maar in botsingsexperimenten met veel energie ontstaan soms ook combinaties van zwaardere quarks, zoals strange en charm. Het omegadeeltje is het zwaarste van de zogeheten hyperonen, deeltjes met een of meer strangequarks.
Instabiel deeltje
Met een deeltje van drie strange-quarks lukt het rekenwerk aan de sterke kernkracht nog net wel. Metingen aan omegadeeltjes, om de berekeningen te testen, zijn in de praktijk echter bijzonder moeilijk. Omegadeeltjes zijn te instabiel om er bundels meer te vormen voor botsingsexperimenten, zoals op CERN standaard wel met protonen gebeurt.
In de experimenten is met de reusachtige ALICE-detector speciaal gekeken naar omega-deeltjes die bij botsingen van protonen in de Large Hadron Collider ontstaan. Door de energie van de botsingen bewegen ze een paar centimeter, voordat ze uit elkaar vallen. Maar dat blijkt genoeg om hun gedrag in de buurt van een proton nauwkeurig te meten, zegt Marco van Leeuwen van de Nikhef-groep die aan ALICE meewerkt.
De ALICE-detector is vooral gebouwd om het gedrag van botsende zware atoomkernen zoals van goud te bestuderen. Bundels zware atoomkernen zijn gewoonlijk een paar weken per jaar beschikbaar, tussen de protonexperimenten door. Het zogeheten quark-gluonplasma dat bij zulke kernbotsingen ontstaat moet ook kort na de oerknal hebben bestaan.
Neutronensterren
De Nikhef-groep bij ALICE is niet direct bij de huidige analyse betrokken geweest, maar Van Leeuwen zegt er wel trots op te zijn. ‘Mooi werk dat terecht de aandacht trekt.’ Wel komt een van de hoofdauteurs Bernard Hohlweger vanaf komende januari als post-doc bij de ALICE-groep van Nikhef werken. Hohlweger promoveerde eerder op het nu gepubliceerde onderzoek aan de Technische Universiteit van München.
De nieuwe resultaten worden ook met belangstelling bekeken door astrofysici die werken aan zogeheten neutronensterren. Dat zijn extreem compacte objecten, restanten van opgebrande sterren, van enkele zonsmassa’s zwaar binnen een bol van een kilometer of tien. Met zwaartekrachtsgolfdetectoren worden regelmatig botsingen van zulke neutronensterren waargenomen, een ander onderzoeksveld van Nikhef.
Bij de vraag waaruit neutronensterren bestaan, speelt de sterke kernkracht een belangrijke rol. Volgens sommige modellen zit onder een schil van neutronen een supercompacte massa van quarks die zich in drietallen als deeltjes (hadronen) gedragen. Door de temperatuur en druk zouden dat niet alleen gewone quarks kunnen zijn, maar ook zwaardere soorten als strange-quarks.
