Vergeet de plaatjes in de schoolboeken van het proton dat uit drie quarks bestaat, twee up en een down, plus gluons. Uit een nieuwe studie van onder meer Nikhef-theoreticus Juan Rojo blijkt dat de kern van het waterstofatoom een vat vol verrassingen is.
In de studie laten Rojo en een team van theoretici vanuit Nikhef, Milaan, Cambridge en Edinburgh zien dat het proton geen simpel object met drie bouwstenen is, gebonden in gluonen, maar een wirwar van materie en antimaterie, en tal van minder gangbare quarks, die even ontstaan en weer verdwijnen. “Het proton is een quantumobject, dat steeds nieuwe en verassende dingen laat zien als je beter inzoomt”, zegt de van oorsprong Spaanse Nikhef-onderzoeker, als universitair hoofddocent verbonden aan de VU.
Het team van proton-onderzoekers onder de naam NNPDF brengt in het nieuwe artikel, gepubliceerd op arXiv, talloze metingen van allerlei experimenten bij elkaar om de subtiliteiten van het deeltje in beeld te brengen.
Het resultaat is een nauwkeurige beschrijving van het ingewikkelde proton die, omgekeerd, de uitkomsten van experimenten tot op ongeveer een procent nauwkeurig beschrijft. Met de klassieke aanpak van de quantum-chromodynamica (QCD) is dat nog nooit gelukt, vooral omdat de berekeningen van de sterke kernkracht al snel oneindig ingewikkeld worden.
Het beeld dat oprijst uit de analyses is een ingewikkelder object dan de schoolboeken het proton voorstellen. Behalve de up- en downquarks duiken daarin bijvoorbeeld soms ook bottom quarks en antiquarks op, steeds zo dat er geen quantumregels worden overtreden. Er zijn ook aanwijzingen dat het charm-quark tot de inboedel behoort. Een paper daarover is in de maak.
Veel van die nieuwe analyses van meetgegevens zijn gedaan met behulp van kunstmatig intelligente software, die wordt beschreven in een tweede artikel. Dat artikel, ook op arXiv, is open source: iedereen kan de code downloaden en zelf gebruiken, zij het na de nodige training. “Wij geloven erg in open science en transparantie”, zegt Rojo over de aanpak. “Het brengt de wetenschap veel verder dan wanneer iedereen alles voor zich houdt.”
Het gedetailleerde beeld van de structuur van het proton is cruciaal voor de voortgang in het onderzoek in de deeltjesnatuurkunde, benadrukt Rojo. In versnellers als de Large Hadron Collider op CERN, de grootste ter wereld, worden protonen hard op elkaar geschoten om uit de brokstukken op te maken hoe de deeltjes op de kleinste schaal werken.
Rojo: “Voor de grote ontdekkingen, zoals van het higgsdeeltje, is niet zo belangrijk dat protonen uit nog kleinere delen bestaan. Maar als je naar subtielere processen wilt kijken, moet je wel heel precies weten wat je op elkaar schiet. In dat stadium beginnen we nu te komen.”
De nieuwe details zijn met name belangrijk in de volgende jaren wanneer de LHC-versneller nog intensere protonenbundels gaat laten botsen, op zoek naar subtiele afwijkingen van wat het Standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt. “Dan moet je heel goed weten wat je verwacht.”
Rojo, die al sinds zijn promotie werkt aan de structuur van het proton, blijft gegrepen door het deeltje. “Het is gewoon de kern van een waterstofatoom, en iedereen heeft er wel eens van gehoord en denkt dat we daar vast alles van weten. Maar het is geen simpel bolletje, het is een wereld van mogelijkheden. En wat in de quantumwereld mogelijk is, zul je soms ook tegenkomen.”
