Onderzoekers van onder meer Nikhef hebben het eerste bewijs gevonden dat in het proton niet alleen up- en down-quarks voorkomen maar ook middelzware charm-quarks. Hun analyse van de grootste dataset ooit staat deze week in Nature.
Theoretisch natuurkundige Juan Rojo van Nikhef en de Vrije Universiteit geeft toe dat het gek klinkt. In het proton, de kern van een waterstofatomen, zitten quarks die zwaarder zijn dan het proton zelf. “Dat gaat in tegen alle gezonde verstand. Het is alsof je een pak zout van een kilo koopt, waar vervolgens twee kilo zand uitkomt. Maar in de quantummechanica kan zoiets dus gewoon.”
Drietallen quarks
Protonen bestaan volgens de deeltjesfysica in principe uit een drietal quarks, twee up- en een down-quark, die door gluonen bij elkaar worden gehouden. In de schimmige quantumwereld is het echter niet uitgesloten dat heel kort ook andere quarks ontstaat en weer verdwijnen, samen met hun antideeltje. Bijvoorbeeld het charm-quark, zo’n duizend keer zwaarder dan een up-quark.
Rojo is hoofdauteur van het Nature-artikel van de NNPDF-samenwerking (neural network parton distribution function), een gelegenheidsgezelschap dat kunstmatige intelligentie gebruikt om metingen aan protonen uit allerlei experimenten te combineren en analyseren. Dat vereist ook de beste theoretische modellen voor het proton.
Vermoedens
Vorig jaar publiceerde NNPDF al vermoedens dat in protonen ook zwaardere quarks dan up en down konden voorkomen, maar statistisch was dat nog niet volledig overtuigend. De nieuwe analyse heeft een waarschijnlijkheid van 3 sigma dat er charm-quarks in het proton zitten. “Dat is wat we een serieuze aanwijzing noemen in de deeltjesfysica”, zegt Rojo opgewekt.
Dat resultaat is ook te danken aan een meting van het LHCb-experiment met de LHC-versneller op CERN, dat vorig jaar eveneens aanwijzingen zag voor charm-quarks in protonen.
Olifant
Het nieuwe resultaat betekent dat in het proton van ongeveer 1 GeV massa nu en dan spontaan charm-quarks en hun antideeltje opduiken, die een massa hebben van 1,3 GeV elk. Een olifant die soms heel kort opduikt in een mug.
Dat tegenintuïtieve nieuws, zegt Rojo, is vermoedelijk ook de reden dat een algemeen tijdschrift als Nature het artikel publiceert. “Deeltjesfysica haalt zelden Nature, tenzij je iets heel bijzonders voor een breed publiek hebt. Dat beseffen we heel goed.”
Intrinsieke charm
In de jacht op charm in het proton zijn eigenlijk twee effecten in het spel, weten de theoretici van NNPDF. De meeste gegevens over de quarks in protonen komen van botsende protonen in versnellers. Daarbij voert de beweging van de botsende protonen zo veel energie aan, dat daaruit soms zware quarks en hun antideeltje kunnen ontstaan.
Rojo en zijn team gaat het echter om wat heet de intrinsieke charm-aanwezigheid in het proton: charm-quarks die van nature nu en dan in het onverstoorde proton opduiken. Het gaat wel om een heel zeldzaam verschijnsel: minder dan een procent van de energie van het kerndeeltje is aan charm toe te schrijven, blijkt uit de analyse.
Botsingen
Toch kan het kleine effect ook voor de deeltjesfysica zelf van groot belang blijken, denkt Rojo. “In de experimenten op CERN schieten we protonen op elkaar en zoeken we naar subtiele afwijkingen die op nieuwe deeltjes of krachten kunnen wijzen. Dat kan alleen als je perfect begrijpt wat je op elkaar schiet. Precies daarin hebben we nu een nieuwe stap gezet.”