Proton bevat een wonderlijk extra deeltje: de ‘charm quark’

Van stoelen en banken tot sterren en planeten – materie is opgebouwd uit steeds kleinere bouwstenen. Moleculen bestaan uit atomen, atomen onder meer uit protonen, en protonen bevatten weer zogeheten ‘quarks’, in twee smaken: twee ‘up’-quarks en een ‘down’-quark. Het nieuwe onderzoek, waarin veertig jaar aan metingen worden gecombineerd, levert bewijs voor nóg een soort quark in het proton: de ‘charm’-variant. In het proton blijkt een paar van twee charm-quarks te bestaan.

Het idee dat er charm-quarks in het proton schuilen, werd al in de vroege jaren tachtig geopperd en is altijd controversieel geweest: de charm-quark is namelijk zwaarder dan het proton zelf. ‘Het is alsof je een vrachtwagen van twee ton opent en een vracht van vijf ton ontdekt’, zegt Juan Rojo (Vrije Universiteit Amsterdam), hoofdauteur van het onderzoek, dat woensdag verscheen in het prestigieuze vakblad Nature.

Maar in de wereld van de elementaire deeltjes is zoiets geen probleem. In de quantummechanica is het immers ook mogelijk dat deeltjes op meerdere plaatsen tegelijk zijn, of van het ene op het andere moment verschijnen en verdwijnen. Zo is ook het gewicht van een quark niet vast te leggen zoals dat wel kan voor objecten in het dagelijks leven. ‘De quantummechanica heeft er geen probleem mee dat charms zwaarder zouden zijn dan de protonen zelf’, aldus Rojo.

Alsof het al niet moeilijk genoeg is om dat te bevatten, stond het team van Rojo voor nóg een uitdaging: de enige manier om de aanwezigheid van charm-quarks in het proton te bevestigen, is om protonen met enorme energie op andere deeltjes te laten botsen. Het probleem is dat bij zo’n botsing charm-quarks ontstaan die niets te maken hebben met de quarks in het proton.

‘De crux van dit onderzoek is dat er onderscheid gemaakt moest worden tussen die intrinsieke quarks, die sowieso in het proton zitten, en de extrinsieke quarks, die door de botsing ontstaan’, zegt Daniël Boer, deeltjesfysicus aan de Rijksuniversiteit Groningen en niet betrokken bij het onderzoek.

Rojo en zijn collega’s wisten de puzzel op te lossen door de data van veertig jaar aan experimenten met botsende protonen te verzamelen. Meer dan vijfduizend metingen van zo’n tweehonderd verschillende processen boden samen genoeg informatie om de minieme vingerafdruk van intrinsieke charm-quarks te kunnen vinden in het ruis van uiteenspattende deeltjes.

‘Het proton kennen we al meer dan honderd jaar’, zegt Boer. ‘Verbazingwekkend dat we nog iets nieuws kunnen leren over zo’n oude bekende.’

De ontdekking heeft gevolgen voor allerlei vakgebieden die gestoeld zijn op het bestaande model van het proton. Een voorbeeld is de sterrenkunde: wanneer straling uit het heelal botst op de aardatmosfeer, komen daar allerlei deeltjes bij vrij, die sterrenkundigen vervolgens bestuderen om meer over het universum te leren. Intrinsieke charm-quarks zijn vooralsnog niet meegenomen in de theoretische beschrijvingen van deze processen, maar na deze ontdekking kunnen ze niet meer ontbreken.