Het proton, de bouwsteen van alles om ons heen, blijkt nog vreemder dan gedacht

Het proton is als deeltje bijna akelig gewoon. Het zit overal in, van sterren diep in de kosmos tot en met het broodje dat je eet bij de lunch. ‘Het zijn de enige stabiele samengestelde bouwstenen van de natuur’, zegt fysicus Juan Rojo van de Vrije Universiteit Amsterdam, die zelf regelmatig onderzoek doet naar de kleine deeltjes. ‘Dat maakt ze bijzonder interessant.’

Pel een willekeurig atoom open en je treft daarin drie typen kleinere deeltjes. Het elektron, dat je niet meer kunt opdelen in nog kleinere bouwsteentjes. Het neutron, dat losgepeuterd uit z’n atoomkern na enkele honderden seconden vervalt en dus niet stabiel is. En het proton, dat net als het neutron gemaakt is van andere deeltjes, quarks, en dus ‘samengesteld’ is zoals Rojo het omschrijft, maar dat desondanks wél stabiel is. Het vervalt van nature niet in andere deeltjes. Die stabiliteit alleen al maakt de natuurkunde die schuilt in het binnenste van het proton interessant.

Waar het proton decennialang beschouwd werd als een tikje saai, voorspelbaar onderdeel van de natuur, kantelt dat beeld tegenwoordig steeds nadrukkelijker. In het vakblad Nature beschreven fysici deze week wat inmiddels al het zoveelste voorbeeld is van opmerkelijk gedrag van protonen.

Stel ze bloot aan een elektromagnetisch veld, zo beschreven de onderzoekers, en de daarin aanwezige elektrische lading verdeelt zich fysiek op een andere manier over het deeltje dan je zou verwachten. ‘Wat ze hier waarnemen is echt opmerkelijk’, zegt Rojo, zelf niet bij het onderzoek betrokken. ‘Deze meting laat duidelijk zien dat zich in het binnenste van protonen processen afspelen die we simpelweg nog niet begrijpen.’

Opmerkelijk voor een deeltje dat letterlijk overal om ons heen te vinden is, zelfs in onze lichamen.

Buiten de spotlights

En dat terwijl fysici het proton lange tijd voor lief namen. ‘Het werd vooral beschouwd als gereedschap’, zegt Rojo. Handig omdat je ze bijvoorbeeld tot bijna de lichtsnelheid kunt versnellen in deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider in natuurkunde-instituut Cern in Genève. Daar laat men met grote regelmaat protonen op elkaar botsen zodat fysici tussen de brokstukken kunnen speuren naar exotische deeltjes en onverwachte interacties. De protonen zelf bleven echter lange tijd buiten de natuurkundige spotlights.

‘De zoektocht naar nieuwe, exotische deeltjes en naar nog onbekende natuurkunde buiten het standaardmodel, dat had tot nog toe vooral de aandacht’, zegt Rojo. Het standaardmodel vat alle bekende deeltjes en hun onderlinge interacties samen in een wiskundige beschrijving die past op een T-shirt of koffiemok. Tegelijk is dat model niet af, zo past bijvoorbeeld de zwaartekracht er niet in. In die zin is het dus logisch dat de zoektocht naar natuurkunde buiten dat model de meeste aandacht trok. Wie zoiets zou vinden, zou immers in één klap onze kennis over de werkelijkheid op de allerkleinste schaal enorm vergroten.

Tegelijk kwamen met die zoektocht naar exotische nieuwe fysica als bijvangst van bijvoorbeeld al die botsingen in de LHC ook een stortvloed aan meetgegevens binnen over de ‘oude’ natuurkunde. En plots deden fysici de ene na de andere ontdekking over bizar of onverwacht protongedrag. ‘Steeds meer fysici zagen daardoor in dat er binnen het standaardmodel, binnen de bekende natuurkunde, ook nog veel te leren valt’, zegt Rojo. ‘Het proton is echt interessant.’

Klotsende deeltjeszee

Zelf ontdekte Rojo deze zomer bijvoorbeeld dat protonen charmquarks bevatten. Iets dat al veel langer werd vermoed, maar ook op twijfel stuitte omdat het zo bizar is: charmquarks zijn namelijk zwaarder dan het proton zelf. Alsof je een kilogram zware verhuisdoos vol boeken uitpakt en na afloop twee kilogram in de kast hebt staan.

Het vormde bovendien de volgende bevestiging van een inzicht dat minstens even opmerkelijk is. Wanneer je protonen openmaakt, ontdek je daarin geen overzichtelijke bouwsteentjes – twee upquarks, en één downquark, zoals het decennialang in de natuurkundeboeken stond – maar een chaotische deeltjeszee van quarks en andere elementaire deeltjes. Sterker nog, zo bleek vorig jaar uit onderzoek: in die zo alledaags lijkende protonen schuilt zelfs antimaterie, het mysterieuze spiegelbeeld van gewone materie waarvan normaliter in de kosmos vrijwel elk spoor ontbreekt.

Rojo vermoedt dat al die opmerkelijke vondsten rond het proton het gevolg moeten zijn van een eigenschap van de natuur die we nog niet goed begrijpen. ‘Ik denk dat dit stukjes zijn van een grotere puzzel’, zegt hij. ‘Ik heb sterk het gevoel dat het niet los van elkaar staat.’

Twee miljard euro

Op welke manier al die puzzelstukjes precies in elkaar passen, weet echter niemand. Rojo hoopt dat toekomstige experimenten uitkomst bieden. Zo werkt men in de Verenigde Staten bijvoorbeeld aan de Electron-Ion collider, die onder meer bedoeld is om de interne structuur van protonen beter bloot te leggen. Dat apparaat, met een prijskaartje van omgerekend een grove twee miljard euro, betaald door het Amerikaanse Department of Energy, zal worden gebouwd in het Brookhaven National Laboratory in de staat New York. Rond 2030 moet het klaar zijn voor de eerste metingen.

‘Ik verwacht veel van dat experiment’, zegt Rojo. ‘Het kan straks precies het soort vragen beantwoorden waar we in de natuurkunde nu mee rondlopen.’ Nog een jaar of tien dus, totdat we eindelijk de diepste geheimen leren kennen van dat meest alledaagse aller deeltjes.