de bijbehorende velden. Beeldcredit: Brookhaven National Laboratory.
Als je de deeltjes waaruit je lichaam bestaat in steeds kleinere stukjes zou verdelen, zou je merken dat bij elke stap onderweg – althans in termen van massa – het geheel gelijk was aan de som van de delen. Als je je lichaam zou opsplitsen in botten, vet en organen, zou je een heel mens hebben. Als je ze nog verder zou opsplitsen, in cellen, dan zouden de cellen nog steeds dezelfde massa hebben als jij. Cellen kunnen worden opgesplitst in organellen, organellen in afzonderlijke moleculen, moleculen in atomen, en atomen in protonen, neutronen en elektronen. Op dat niveau is er een piepklein maar merkbaar verschil: de individuele protonen, neutronen en elektronen wijken ongeveer 1% af van een mens, dankzij de nucleaire bindingsenergie.
ongeveer 0,8% lager dan de individuele protonen en neutronen waaruit hij is opgebouwd, dankzij de nucleaire bindingsenergie. Afbeelding: Delia Walsh van http://slideplayer.com/slide/6002405/.
Een koolstofatoom, bestaande uit zes protonen en zes neutronen, is ongeveer 0,8% lichter dan de afzonderlijke samenstellende deeltjes waaruit het is opgebouwd. De manier waarop koolstof wordt gevormd is door de kernfusie van waterstof tot helium en vervolgens van helium tot koolstof; de vrijkomende energie drijft de meeste soorten sterren aan, zowel in hun normale als in hun rode reuzenfase, en de “verloren massa” is waar die energie vandaan komt, dankzij Einsteins E = mc2. Dit is hoe de meeste soorten bindingsenergie werken: de reden waarom het moeilijker is om meerdere dingen die aan elkaar gebonden zijn uit elkaar te trekken, is omdat ze energie hebben vrijgemaakt toen ze werden samengevoegd, en je moet er energie in stoppen om ze weer vrij te maken.
Waarom het zo’n raadsel is dat wanneer je kijkt naar de deeltjes waaruit het proton bestaat – de drie verschillende quarks in het hart ervan – hun gecombineerde massa’s slechts 0,2% zijn van de massa van het proton als geheel.
(in MeV) in de rechterbovenhoek. Een proton, bestaande uit twee opwaartse quarks en een neerwaartse quark, heeft een massa van ~938 MeV/c^2. Afbeelding: Wikimedia Commons gebruiker MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, onder een c.c.a.-3.0 unported license.
De manier waarop quarks zich binden in protonen is fundamenteel anders dan alle andere krachten en interacties die we kennen. In plaats van dat de kracht sterker wordt als objecten dichterbij komen – zoals de gravitatie-, elektrische of magnetische krachten – daalt de aantrekkingskracht tot nul als quarks willekeurig dichtbij komen. En in plaats van dat de kracht zwakker wordt als objecten verder weg komen te staan, wordt de kracht die quarks naar elkaar toe trekt sterker naarmate ze verder weg komen te staan.
Deze eigenschap van de sterke kernkracht staat bekend als asymptotische vrijheid, en de deeltjes die deze kracht bemiddelen staan bekend als gluonen. Op de een of andere manier is de energie die het proton samenbindt, de andere 99,8% van de massa van het proton, afkomstig van deze gluonen.
verbonden door (veerachtige) gluonen, is de structuur van het proton veel gecompliceerder, met extra (zee)quarks en gluonen die het inwendige van het proton bevolken. Afbeelding: het Duitse elektronensynchrotron (DES), en de HERA- en ZEUS-samenwerking.
Omwille van de manier waarop de sterke kernkracht werkt, zijn er grote onzekerheden over waar deze gluonen zich op een bepaald moment in de tijd bevinden. We hebben nu een solide model van de gemiddelde gluondichtheid in een proton, maar als we willen weten waar de gluonen zich met grotere waarschijnlijkheid bevinden, zijn meer experimentele gegevens nodig, alsmede betere modellen om de gegevens mee te vergelijken. Recente vorderingen van de theoretici Björn Schenke en Heikki Mäntysaari kunnen misschien in die broodnodige modellen voorzien. Zoals Mäntysaari heeft beschreven:
Het is zeer nauwkeurig bekend hoe groot de gemiddelde gluondichtheid binnen een proton is. Wat niet bekend is, is waar de gluonen zich precies in het proton bevinden. Wij modelleren de gluonen als gelokaliseerd rond de drie quarks. Vervolgens regelen we de hoeveelheid fluctuaties in het model door in te stellen hoe groot de gluonwolken zijn, en hoe ver ze van elkaar af staan.
gluonen, en quarkspin afgebeeld. Afbeelding: Brookhaven National Laboratory.
Als je twee deeltjes zoals protonen, een proton en een zwaar ion, of twee zware ionen tegen elkaar laat botsen, kun je dat niet eenvoudigweg modelleren als proton-proton botsingen. In plaats daarvan zie je een verdeling van drie soorten botsingen: quark-quark botsingen, quark-gluon botsingen of gluon-gluon botsingen. Het zijn de componenten binnen deze subatomaire deeltjes die daadwerkelijk botsen, in plaats van de volledige structuren (de protonen) zelf. Bij lagere energieën zijn het bijna altijd quarks die botsen, maar bij de hogere energieën die worden bereikt door RHIC, de Relativistic Heavy Ion Collider, in Brookhaven en door de LHC in CERN is de kans op gluon-gluon-interacties zeer groot, zodat de locatie van de gluonen in een proton zelf kan worden onthuld. Mäntysaari vervolgt:
Dit proces vindt helemaal niet plaats als het proton er altijd hetzelfde uitziet. Hoe meer fluctuaties we hebben, des te waarschijnlijker is het dat dit proces plaatsvindt.
van een proton, inclusief hoe de “zee” quarks en gluonen zijn verdeeld, is bereikt door zowel experimentele verbeteringen als nieuwe theoretische ontwikkelingen in tandem. Foto: Brookhaven National Laboratory.
De combinatie van dit nieuwe theoretische model en de steeds beter wordende LHC-gegevens zal wetenschappers beter in staat stellen de interne, fundamentele structuur van protonen, neutronen en kernen in het algemeen te begrijpen, en daarmee te begrijpen waar de massa van de bekende objecten in het heelal vandaan komt. De grootste zegen voor dit soort onderzoek zou echter de ontwikkeling zijn van een Electron-Ion Collider (EIC), een collider die door vele samenwerkingsverbanden over de hele wereld is voorgesteld. In tegenstelling tot RHIC of de LHC, die protonen met ionen laten botsen – wat resulteert in een zeer rommelig eindsignaal – zou een EIC veel gecontroleerder zijn, omdat er geen interne, oncontroleerbare bewegingen in een elektron zijn die de experimentele resultaten in de war kunnen sturen.
collider (EIC). Door een elektronenring (rood) toe te voegen aan de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven zou de eRHIC ontstaan. Beeldmateriaal: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC groep.
Als je de inwendige structuur van een proton of een verzameling kernen wilt bestuderen, is diepe inelastische verstrooiing de enige manier om dat te doen. Als je bedenkt dat de botsmachines minder dan een eeuw geleden met die reis zijn begonnen, en dat we nu energieën bereiken die ongeveer een factor 10.000 hoger zijn dan toen we begonnen, dan ligt het onderzoeken en begrijpen van hoe materie precies aan zijn massa komt, misschien eindelijk binnen ons bereik. Het quark-gluon plasma in de kern, en de bijbehorende fluctuaties, zijn er misschien eindelijk klaar voor om zijn geheimen aan ons prijs te geven. En wanneer het dat doet, kan een van de langst bestaande mysteries van de natuurkunde, waar de massa van de bekende materie vandaan komt (nog steeds een mysterie, zelfs na de ontdekking van de Higgs), eindelijk toegeven aan de mensheid.
Volg mij op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.