Introductie
Meer dan een eeuw nadat Ernest Rutherford het positief geladen deeltje in het hart van elk atoom ontdekte, worstelen natuurkundigen nog steeds om het proton volledig te begrijpen.
Leraren natuurkunde op de middelbare school beschrijven ze als karakterloze ballen met elk één eenheid van positieve elektrische lading - de perfecte folies voor de negatief geladen elektronen die om hen heen zoemen. Studenten leren dat de bal eigenlijk een bundel is van drie elementaire deeltjes die quarks worden genoemd. Maar tientallen jaren van onderzoek hebben een diepere waarheid aan het licht gebracht, een die te bizar is om volledig in woorden of afbeeldingen vast te leggen.
"Dit is het meest gecompliceerde dat je je kunt voorstellen", zei Mike Williams, een natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology. "Je kunt je eigenlijk niet eens voorstellen hoe ingewikkeld het is."
Het proton is een kwantummechanisch object dat bestaat als een waas van waarschijnlijkheden totdat een experiment het dwingt een concrete vorm aan te nemen. En de vormen verschillen drastisch, afhankelijk van hoe onderzoekers hun experiment opzetten. Het verbinden van de vele gezichten van het deeltje is het werk van generaties. "We beginnen dit systeem nu een beetje volledig te begrijpen," zei Richard Milner, een kernfysicus aan het MIT.
Terwijl de achtervolging doorgaat, blijven de geheimen van het proton naar buiten tuimelen. Meest recent, een monumentale data-analyse gepubliceerd in augustus ontdekte dat het proton sporen bevat van deeltjes die charm-quarks worden genoemd en die zwaarder zijn dan het proton zelf.
Het proton "is vernederend voor de mens", zei Williams. "Elke keer dat je denkt dat je er een beetje grip op hebt, krijg je een paar curveballs."
Onlangs heeft Milner, samen met Rolf Ent van Jefferson Lab, MIT-filmmakers Chris Boebel en Joe McMaster, en animator James LaPlante, een reeks geheimzinnige plots die de resultaten van honderden experimenten bundelen tot een reeks animaties van de vorm -verschuivende protonen. We hebben hun animaties verwerkt in onze eigen poging om de geheimen ervan te onthullen.
Het proton openbreken
Het bewijs dat het proton massa's bevat, kwam van het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in 1967. In eerdere experimenten hadden onderzoekers het met elektronen bekogeld en zagen ze afketsen als biljartballen. Maar SLAC kon elektronen krachtiger wegslingeren, en onderzoekers zagen dat ze anders terugkaatsten. De elektronen raakten het proton hard genoeg om het te verbrijzelen - een proces dat diepe inelastische verstrooiing wordt genoemd - en kaatsten terug van puntachtige scherven van het proton die quarks worden genoemd. "Dat was het eerste bewijs dat quarks echt bestaan," zei Xiaochao Zheng, een natuurkundige aan de Universiteit van Virginia.
Na de ontdekking van SLAC, die in 1990 de Nobelprijs voor natuurkunde won, werd het onderzoek naar het proton geïntensiveerd. Natuurkundigen hebben tot nu toe honderden verstrooiingsexperimenten uitgevoerd. Ze leiden verschillende aspecten van het interieur van het object af door aan te passen hoe krachtig ze het bombarderen en door te kiezen welke verstrooide deeltjes ze in de nasleep verzamelen.
Introductie
Door hogere energie-elektronen te gebruiken, kunnen natuurkundigen fijnere kenmerken van het doelproton opsporen. Op deze manier bepaalt de elektronenenergie het maximale oplossend vermogen van een diep inelastisch verstrooiingsexperiment. Krachtigere deeltjesversnellers bieden een scherper beeld van het proton.
Hogere energieversnellers produceren ook een breder scala aan botsingsresultaten, waardoor onderzoekers verschillende subsets van de uitgaande elektronen kunnen kiezen om te analyseren. Deze flexibiliteit is de sleutel gebleken tot het begrijpen van quarks, die met verschillende hoeveelheden momentum in het proton ronddraaien.
Door de energie en het traject van elk verstrooid elektron te meten, kunnen onderzoekers zien of het van een quark is afgeketst die een groot deel van het totale momentum van het proton draagt of slechts een smidgen. Door herhaalde botsingen kunnen ze zoiets als een telling uitvoeren - bepalen of het momentum van het proton grotendeels gebonden is aan een paar quarks, of verdeeld is over veel.
Zelfs de protonsplitsende botsingen van SLAC waren zachtaardig volgens de huidige normen. Bij die verstrooiingsgebeurtenissen schoten elektronen vaak naar buiten op manieren die suggereerden dat ze tegen quarks waren gebotst die een derde van het totale momentum van het proton droegen. De bevinding kwam overeen met een theorie van Murray Gell-Mann en George Zweig, die in 1964 stelden dat een proton uit drie quarks bestaat.
Het "quarkmodel" van Gell-Mann en Zweig blijft een elegante manier om het proton voor te stellen. Het heeft twee "up" quarks met elektrische ladingen van +2/3 elk en één "down" quark met een lading van −1/3, voor een totale protonlading van +1.
Introductie
Maar het quarkmodel is een oversimplificatie die ernstige tekortkomingen heeft.
Het faalt bijvoorbeeld als het gaat om de spin van een proton, een kwantumeigenschap die analoog is aan impulsmoment. Het proton heeft een halve eenheid spin, net als elk van zijn up- en down-quarks. Natuurkundigen veronderstelden aanvankelijk dat - in een berekening die de eenvoudige ladingsberekening weergeeft - de halve eenheden van de twee up-quarks minus die van de down-quark gelijk moeten zijn aan een halve eenheid voor het proton als geheel. Maar in 1988, de Europese Muon-samenwerking gerapporteerd dat de quark-spins optellen tot veel minder dan de helft. Evenzo omvatten de massa's van twee up-quarks en één down-quark slechts ongeveer 1% van de totale massa van het proton. Deze tekorten brachten een punt naar voren dat natuurkundigen al begonnen te waarderen: het proton is veel meer dan drie quarks.
Veel meer dan drie quarks
De Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA), die van 1992 tot 2007 in Hamburg, Duitsland opereerde, sloeg elektronen ruwweg duizend keer krachtiger in protonen dan SLAC had. In HERA-experimenten konden natuurkundigen elektronen selecteren die waren teruggekaatst van quarks met een extreem laag momentum, inclusief degenen die slechts 0.005% van het totale momentum van het proton droegen. En ze ontdekten dat ze dat deden: HERA's elektronen kaatsten terug uit een maalstroom van quarks met een laag momentum en hun antimaterie-tegenhangers, antiquarks.
Introductie
De resultaten bevestigden een geavanceerde en bizarre theorie die tegen die tijd het quarkmodel van Gell-Mann en Zweig had vervangen. Ontwikkeld in de jaren 1970, was het een kwantumtheorie van de "sterke kracht" die tussen quarks werkt. De theorie beschrijft quarks als aan elkaar gebonden door krachtdragende deeltjes die gluonen worden genoemd. Elke quark en elk gluon heeft een van de drie soorten "kleur"-lading, aangeduid met rood, groen en blauw; deze kleurgeladen deeltjes trekken van nature aan elkaar en vormen een groep - zoals een proton - waarvan de kleuren samen een neutraal wit vormen. De kleurrijke theorie werd bekend als kwantumchromodynamica of QCD.
Volgens QCD kunnen gluonen tijdelijke energiepieken opvangen. Met deze energie splitst een gluon zich in een quark en een antiquark - elk met een klein beetje momentum - voordat het paar vernietigt en verdwijnt. Kleinere energiepieken produceren quarkparen met een lager momentum, die een korter leven leiden. Het is deze 'zee' van gluonen, quarks en antiquarks die HERA, met zijn grotere gevoeligheid voor deeltjes met een lager momentum, uit de eerste hand heeft gedetecteerd.
HERA kreeg ook hints van hoe het proton eruit zou zien in krachtigere botsers. Terwijl natuurkundigen HERA aanpasten om te zoeken naar quarks met een lager momentum, kwamen deze quarks - die afkomstig zijn van gluonen - in steeds grotere aantallen voor. De resultaten suggereerden dat bij botsingen met nog hogere energie, het proton eruit zou zien als een wolk die bijna volledig uit gluonen bestaat.
Introductie
De gluon-paardenbloem is precies wat QCD voorspelt. "De HERA-gegevens zijn direct experimenteel bewijs dat QCD de natuur beschrijft," zei Milner.
Maar de overwinning van de jonge theorie kwam met een bittere pil: terwijl QCD de dans van kortlevende quarks en gluonen prachtig beschreef die onthuld werden door HERA's extreme botsingen, is de theorie nutteloos om de drie langdurige quarks te begrijpen die te zien zijn in het zachte bombardement van SLAC.
De voorspellingen van QCD zijn alleen gemakkelijk te begrijpen als de sterke kracht relatief zwak is. En de sterke kracht wordt alleen zwakker als quarks extreem dicht bij elkaar staan, zoals in kortstondige quark-antiquark-paren. Frank Wilczek, David Gross en David Politzer identificeerden dit bepalende kenmerk van QCD in 1973 en wonnen er 31 jaar later de Nobelprijs voor.
Maar voor zachtere botsingen zoals SLAC's, waarbij het proton zich gedraagt als drie quarks die onderling afstand houden, trekken deze quarks sterk genoeg aan elkaar om QCD-berekeningen onmogelijk te maken. De taak om de drie-quark-weergave van het proton verder te demystificeren, is dus grotendeels aan experimentatoren toebehoord. (Onderzoekers die ‘digitale experimenten’ uitvoeren, waarbij QCD-voorspellingen worden gesimuleerd op supercomputers, hebben ook belangrijkste bijdragen.) En het is in deze lage resolutie foto dat natuurkundigen verrassingen blijven vinden.
Een charmant nieuw uitzicht
Onlangs heeft een team onder leiding van Juan Rojo van het Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica in Nederland en de Vrije Universiteit Amsterdam analyseerden meer dan 5,000 proton-snapshots die in de afgelopen 50 jaar zijn gemaakt, met behulp van machine learning om de bewegingen van quarks en gluonen in het proton af te leiden op een manier die theoretisch giswerk omzeilt.
De nieuwe controle ving een achtergrondvervaging op in de afbeeldingen die aan eerdere onderzoekers waren ontsnapt. Bij relatief zachte botsingen waarbij het proton maar net openbrak, was het grootste deel van het momentum opgesloten in de gebruikelijke drie quarks: twee ups en een down. Maar een kleine hoeveelheid momentum leek afkomstig te zijn van een 'charme'-quark en charm-antiquark - kolossale elementaire deeltjes die elk meer dan een derde zwaarder wegen dan het hele proton.
Introductie
Charms van korte duur verschijnen vaak in het "quarkzee" -aanzicht van het proton (gluonen kunnen zich splitsen in zes verschillende quarktypes als ze voldoende energie hebben). Maar de resultaten van Rojo en collega's suggereren dat de charmes een meer permanente aanwezigheid hebben, waardoor ze detecteerbaar zijn bij zachtere botsingen. Bij deze botsingen verschijnt het proton als een kwantummengsel, of superpositie, van meerdere toestanden: een elektron komt meestal de drie lichtgewicht quarks tegen. Maar het zal af en toe een zeldzamer "molecuul" van vijf quarks tegenkomen, zoals een up-, down- en charm-quark aan de ene kant en een up-quark en charm-antiquark aan de andere kant.
Dergelijke subtiele details over de samenstelling van het proton kunnen gevolgen hebben. Bij de Large Hadron Collider zoeken natuurkundigen naar nieuwe elementaire deeltjes door hogesnelheidsprotonen tegen elkaar te slaan en te zien wat eruit springt; om de resultaten te begrijpen, moeten onderzoekers om te beginnen weten wat er in een proton zit. De occasionele verschijning van gigantische charm-quarks zou gooi de kansen weg van het maken van meer exotische deeltjes.
En wanneer protonen die kosmische straling worden genoemd vanuit de ruimte hierheen razen en inslaan op protonen in de atmosfeer van de aarde, zouden charm-quarks die op de juiste momenten opduiken de aarde overladen met extra-energetische neutrino's, berekenden onderzoekers in 2021. Deze kunnen waarnemers in verwarring brengen zoeken voor hoogenergetische neutrino's die van over de hele kosmos komen.
Rojo's samenwerking is van plan om door te gaan met het verkennen van het proton door te zoeken naar een onbalans tussen charm-quarks en antiquarks. En zwaardere bestanddelen, zoals de top-quark, kunnen nog zeldzamer en moeilijker te detecteren optreden.
Experimenten van de volgende generatie zullen nog meer onbekende functies zoeken. Natuurkundigen van Brookhaven National Laboratory hopen de Electron-Ion Collider in de jaren 2030 te starten en verder te gaan waar HERA was gebleven, door snapshots met een hogere resolutie te maken die de eerste 3D-reconstructies van het proton mogelijk maken. De EIC zal ook draaiende elektronen gebruiken om gedetailleerde kaarten te maken van de spins van de interne quarks en gluonen, net zoals SLAC en HERA hun momentum in kaart hebben gebracht. Dit zou onderzoekers moeten helpen om eindelijk de oorsprong van de spin van het proton vast te stellen en andere fundamentele vragen te beantwoorden over het verbijsterende deeltje dat het grootste deel van onze dagelijkse wereld vormt.
