De inwendige structuur van het proton vertoont quantumgedrag dat nooit eerder is waargenomen. Dat blijkt uit onderzoek op basis van gegevens die zijn verzameld tijdens deeltjesversneller-experimenten. De bevindingen, gepubliceerd in newscientist.com, kunnen ons begrip van de bouwstenen van materie ingrijpend veranderen.
Wetenschappers wisten al langer dat protonen zijn opgebouwd uit kleinere deeltjes, zogeheten quarks en gluonen. Maar de precieze wijze waarop deze deeltjes zich gedragen en hoe ze over het proton zijn verdeeld, bleef moeilijk in kaart te brengen. Toch is dat detail van groot belang: hoe beter we de binnenkant van het proton begrijpen, hoe beter we experimenten kunnen interpreteren waarin protonen op elkaar worden stukgeslagen, bijvoorbeeld bij de zoektocht naar nieuwe deeltjes of de geheimen van fundamentele krachten.
Het partonmodel als vertrekpunt
Het belangrijkste wiskundige instrument dat natuurkundigen momenteel gebruiken om de binnenkant van het proton te begrijpen, is het partonmodel. Daarmee kunnen ze de dichtheid van deeltjes binnenin het proton op probabilistische wijze berekenen, waardoor ze kunnen vaststellen hoe de samenstelling er in versneller-experimenten waarschijnlijk uitziet.
"Het partonmodel is buitengewoon krachtig: het is de voornaamste bron van al onze kennis over de interne structuur van het proton. Maar als je naar de moderne staat ervan kijkt, besef je dat het beeld erachter behoorlijk klassiek is", zegt Alexey Vladimirov van de Complutense Universiteit van Madrid tegen New Scientist. "Dat is uiteraard onjuist, want we weten dat de quantummechanica bestaat."
Quantuminterferentie als bewijs
Onderzoekers theoretiseren al sinds de jaren tachtig over quantumeffecten binnenin het proton en hebben er ook naar gezocht, aldus Vladimirov. Maar door de jaren heen leidden verschillende experimenten tot onduidelijke en soms tegenstrijdige conclusies.
Om een helderder beeld te krijgen, richtten Vladimirov en zijn collega's zich op één proces dat quarks en gluonen kunnen ondergaan en dat kenmerkend is voor quantumgedrag: interferentie. Quantumdeeltjes hebben een golfachtige aard, en interferentie is het equivalent van twee overlappende quantumgolven die elkaar versterken of uitdoven.
De onderzoekers compileerden gegevens uit meerdere versneller-experimenten en vonden daarin bewijs van dergelijke interferentie-effecten in het proton. Dat wijst erop dat de interne dynamiek van het proton niet volledig met klassieke natuurkunde kan worden beschreven, maar dat quantummechanische effecten een wezenlijke rol spelen.
Implicaties voor toekomstig onderzoek
De ontdekking heeft mogelijk verstrekkende gevolgen voor de manier waarop natuurkundigen experimenten met protonenbotsingen interpreteren. Als het partonmodel op bepaalde punten tekortschiet omdat het te klassiek is, kunnen correcties nodig zijn in de berekeningen die ten grondslag liggen aan de analyse van botsingsgegevens.
Dat is met name relevant voor de zoektocht naar nieuwe natuurkunde, zoals de ontdekking van onbekende deeltjes of krachten. Een nauwkeuriger beeld van het proton zou kunnen helpen om subtiele afwijkingen in experimentele gegevens te herkennen die anders aan de aandacht zouden ontsnappen.
De onderzoekers benadrukken dat hun bevindingen een nieuwe kijk bieden op een van de meest fundamentele bouwstenen van de materie. Het proton, lang beschouwd als een relatief eenvoudig samengesteld deeltje, blijkt bij nader inzien een rijker en complexer quantumgedrag te vertonen dan tot nu toe werd aangenomen.
Voor wie dieper in de materie wil duiken, biedt proton.me een beveiligde manier om met collega-onderzoekers te communiceren over deze baanbrekende resultaten.