Goed en slecht nieuws: proton is iets kleiner dan gedacht

12 september 2019

Een nieuwe meting van de grootte van het proton is tegelijk goed nieuws voor de deeltjesfysica en een teleurstelling. Het goede nieuws is, dat een twintig jaar oud experimenteel raadsel rond het proton wordt opgehelderd. Het slechte nieuws is dat er geen nieuwe fysica in het spel is, zoals destijds wel werd gehoopt.

Een Canadese groep natuurkundigen deed precisiemetingen aan het waterstofatoom in verschillende energietoestanden. Daaruit is via een subtiele afwijking in de energieniveau’s van het waterstof de grootte van de atoomkern af te leiden.

Weergave van het proton, dat uit drie quarks en vele gluonen bestaat.

Een waterstofatoom bestaat uit een proton en een elektron dat om de kern beweegt in karakteristieke banen. De atoomkern is echter geen harde pit. Het proton bestaat uit drie quarks en een wolk gluonen die binnen een zeker volume door elkaar warrelen.

In de laagste baan kan het elektron van waterstof nu en dan zelfs binnen de diameter van het proton terecht komen. Dat geeft een kleine afwijking in het energieniveau van het elektron. In hogere banen is die afwijking, het zogeheten Lamb-effect, er niet. Het Lamb-effect geeft daarmee aan waar de buitenrand van de atoomkern zit en dus de diamater van het proton.

In 2010 deden Duitse onderzoekers in een opzienbarend experiment precisiemetingen van het Lamb-effect in waterstofatomen waarin geen elektronen voorkwamen, maar muonen. Zulke muonen zijn het 207 maal zwaardere evenbeeld van elektronen. Daarmee is het Lamb-effect relatief gemakkelijk te meten, zodat de protondiameter bijzonder nauwkeurig kan worden geschat.

De Duitse metingen leidden destijds tot enige opwinding onder natuurkundigen, omdat het proton volgens de muon-experimenten zo’n 4 procent kleiner bleek dan tot dan toe met gewoon waterstof was gemeten: 0,84 femtometer (een biljoenste millimeter).

Volgens het Standaard Model van de deeltjesfysica zouden het gebruik van muonen of elektronen geen verschil mogen maken. Theoretici speculeerden daarom over de mogelijkheid dat er kennelijk dat protonen muonen anders voelen dan elektronen. De afwijking kon dus een aanwijzing zijn voor nieuwe fysica.

Maar dat lijkt nu van de baan. In Science van 6 september publiceren Canadese onderzoekers nu een meting van de protongrootte via het Lamb-effect in normaal waterstof. Die meting met een proton en een elektron komt uit op 0,833 plusminus 0,010 femtometer. Dat is binnen de foutenmarge hetzelfde als voor een proton en een muon. Het betekent ook dat de oudere metingen van de protongrootte allemaal te hoog waren.

Waarom de nieuwe waterstofmeting anders uitpakt dan de klassieke waardes uit oudere experimenten, blijft onduidelijk, geven de onderzoekers in Science aan. Maar ze concluderen dat de protongrootte dus niet afhangt van de aanwezigheid van een elektron of een muon.

Volgens theoretisch fysicus en proton-expert Juan Rojo van Nikhef en de VU is de controverse over het proton altijd vooral een experimenteel probleem geweest. ‘Metingen met verschillende methodes geven wel vaker verschillende die uiteindelijk gewoon toch te verklaren blijken. Uit theoretisch oogpunt is dit niet heel wezenlijk.’

Rojo vermoedt dat inmiddels nog maar weinig theoretici meenden dat er vanwege de protoncontroverse werkelijk sprake moest zijn van nieuwe fysica, voorbij het Standaard Model. ‘Dan hadden daar ook andere aanwijzingen voor moeten zijn.’