De meest eenvoudige atoomkern, de waterstofkern, líjkt te bestaan uit drie bouwstenen. Maar als je beter kijkt, is het een borrelende bedoening van andere deeltjes die kort verschijnen en verdwijnen. Ook zogeheten charm-quarks blijken hier af en toe in op te duiken, stelden natuurkundigen vast.
Een waterstofatoomkern is een enkel proton. Zo’n proton lijkt op het eerste gezicht te bestaan uit drie quarkdeeltjes (twee up-quarks en een down-quark), bijeenhouden door deeltjes die gluonen heten. Maar er is meer. Naast deze basis verschijnen er af en toe andere quarks en antiquarks (hun antimateriële tegenhangers). Een groep natuurkundigen heeft deze complexe samenstelling van het proton nu nauwkeurig beschreven, door duizenden metingen van verschillende experimenten samen te voegen. ‘We geven het beste beeld van het proton dat we tot nu toe hebben’, zegt Juan Rojo, werkzaam bij het Amsterdamse onderzoeksinstituut Nikhef en bij de Vrije Universiteit Amsterdam.
De samenstelling van het proton vormt in feite de basis van alle materie waar wij en de wereld om ons heen uit bestaat. Protonen vind je namelijk in alle atoomkernen.
Charmante zee
In het beeld dat de natuurkundigen schetsen van de protonstructuur, verschijnen er naast up- en down-quarks ook regelmatig strange-quarks en anti-quarks. Eerder bleek al dat in deze zee van quarks iets meer anti-down-quarks dan anti-up-quarks opduiken. Bovendien blijkt uit de analyses dat ook charm-quarks waarschijnlijk onderdeel uitmaken van de protonsamenstelling. Een spannend resultaat, want er wordt al veertig jaar hevig gediscussieerd over deze aanwezigheid van charm-quarks.
Toevallig verscheen er enkele dagen na de theoretische analyse ook een artikel van een experiment bij de LHC-deeltjesversneller van CERN dat ook duidt op de aanwezigheid van charm-quarks in het proton. ‘Onze resultaten blijken zeer goed overeen te komen met deze nieuwe LHC-metingen’, vertelt Rojo. ‘Daar zijn we heel enthousiast over, omdat het een onafhankelijke meting is, die niet te maken heeft met onze analyse.’ Dat maakt het nog waarschijnlijker dat er inderdaad charm- en anti-charm-quarks ronddolen in de quarkzee in het proton.
‘Maar beide onderzoeksresultaten zijn ‘heet van de pers’ en nog steeds controversieel’, voegt Rojo toe. Uit toekomstige metingen zal moeten blijken of protonen inderdaad zo charmant zijn als ze nu lijken.
Kunstmatige intelligentie
Voor de analyse maakten de onderzoekers gebruik van kunstmatig intelligente computerprogramma’s. ‘Daarmee konden we, zonder vooraf aannames te doen, een beeld krijgen van de structuur van het proton’, zegt Rojo. De code die ze gebruikten is voor iedereen beschikbaar. ‘We geloven erg in open science en het delen van alle code, data en analyses. We denken dat dat de meest productieve en krachtige vorm van wetenschap is.’
De aanwezigheid van charm-quarks was slechts een onderdeel van de analyse. ‘Ons doel was om de gehele structuur van het proton zo goed mogelijk te begrijpen’, zegt Rojo. ‘Dus hoe de up-, down-, strange- en charm-quarks en gluonen zich gedragen in protonen.’ Het resultaat beschrijft de uitkomst van experimenten tot op één procent nauwkeurig.
Volgens Rojo is het protonhoofdstuk hiermee nog niet afgesloten. ‘Ik denk dat de charm-quarks niet de laatste verrassing zijn die het proton voor ons in petto heeft.’
