Fysici slagen er eindelijk in de grootte van het proton vast te leggen

In 2010 kwamen Duitse fysici met het nieuws dat ze een uitzonderlijk precieze meting hadden kunnen uitvoeren van de grootte van het proton, de positief geladen bouwsteen van atoomkernen. Het resultaat stelde de wetenschappers voor een raadsel.

Samen met een aantal medewerkers had Randolf Pohl van het Max Planck Institute of Quantum Optics het proton opgemeten met behulp van speciale waterstofatomen. Daarbij hadden ze het elektron dat normaal om het proton heen draait vervangen door een muon, een deeltje dat identiek is aan het elektron, maar 207 keer zoveel massa heeft. Het team van Pohl kwam tot de bevinding dat de protonen waar een muon omheen draait een straal hebben van 0,84 femtometer. Dat is vier procent minder dan het gemiddelde resultaat van een twintigtal eerdere metingen van de straal van de protonen in gewone waterstof.

Als dat verschil kon worden hardgemaakt - en protonen dus krimpen in de aanwezigheid van muonen - dan zou dat betekenen dat er onbekende fysische verschijnselen spelen tussen protonen en muonen. In de tien jaar die volgden op de fundamentele ontdekking zijn honderden papers over die mogelijke interactie gepubliceerd.

Maar de hoop dat het ‘raadsel van de protonstraal’ de deeltjesfysica op haar kop zou zetten en nieuwe natuurwetten aan het licht zou brengen, is nu onderuitgehaald door een nieuwe meting waarover Science op 6 september heeft bericht.

Na Pohls bevindingen op basis van muonische waterstof van negen jaar geleden, besliste een team fysici, onder leiding van Eric Hessels van de York University in Toronto, het proton opnieuw op te meten in normale waterstof met elektronen. De resultaten van dat onderzoek zijn nu eindelijk beschikbaar: Hessels en zijn team legden de straal van het proton vast op 0,833 femtometer, met een foutmarge van 0,01 femtometer. Exact dezelfde waarde dus als die waartoe ook Pohl al was gekomen. Beide metingen zijn preciezer dan die van eerdere experimenten, en duiden erop dat de context geen invloed heeft op de grootte van het proton: de oude metingen op basis van waterstof met elektronen blijken gewoonweg fout te zijn geweest.

Pohl, die tijdens een workshop in de zomer van 2018 vernam tot welke voorlopige bevindingen Hessels was gekomen, noemde het “een fantastisch resultaat”, hoewel het er een was dat “wijst op de meest prozaïsche verklaring” van het raadsel van de protonstraal.

Net zo zei Hessels dat hij samen met zijn collega’s erg tevreden was dat de meting “overeenstemde met de erg precieze meting op basis van muonische waterstof”, ook al heeft het resultaat een wat bitterzoete nasmaak. “We beseffen dat we nog niet alle wetten van de fysica hebben doorgrond”, zei hij, “en daarom moeten we ons verdiepen in al die dingen die ons mee op de goede weg kunnen zetten.”

De straal van het proton liet zich evenwel niet gemakkelijk vastleggen. Om haar waarde te kunnen bepalen, dienden Hessels en zijn collega’s de Lambverschuiving te meten: het verschil tussen het eerste en het tweede geëxciteerde energieniveau van waterstof, de zogenaamde 2s- en 2p-schillen. Hessels zei dat hij al sinds de jaren 1980, toen hij nog student was, de Lambverschuiving wou meten, maar dat het raadsel van de protonstraal hem ertoe heeft aangezet om dat ook daadwerkelijk te gaan doen. “Het is een bijzonder moeilijke meting”, zei hij, “ik had er een goede reden voor nodig.”

© PoorLeno

Illustratie boven: Uit de 2s- en 2p-schillen van waterstof valt af te leiden waar het elektron zich op elk mogelijk moment bevindt. Deze beelden laten de mogelijke locaties van het elektron op elk energieniveau zien. Het proton, dat hier niet is aangeduid, bevindt zich in het centrum van elk beeld. In de 2s-schil overlapt het elektron het proton, en gedurende een zekere tijd die niet gelijk is aan nul bevindt het elektron zich in het proton zelf. In de 2p-schil overlappen het elektron en het proton elkaar nooit.

Uit de Lambverschuiving, die genoemd is naar de Amerikaanse fysicus Willis Lamb die de verschuiving in 1947 voor het eerst probeerde te meten, is de straal van het proton als volgt af te leiden: wanneer een elektron om het proton heen draait in de 2s-schil, begeeft het zich met tussenpozen ook binnen in het proton (dat is opgebouwd uit elementaire deeltjes die quarks en gluonen worden genoemd, met veel vrije tussenruimte). Wanneer het elektron zich binnen in het proton bevindt, trekt de lading van het proton het elektron aan in tegengestelde richtingen, en heft ze zichzelf zo deels op. Bijgevolg neemt de elektrische aantrekkingskracht tussen beide af, en verliest het atoom een deel van zijn bindingsenergie. Hoe groter het proton, hoe langer het elektron er zich in bevindt. Bijgevolg is het elektron minder sterk gebonden en kan het makkelijker ontsnappen.

Hessels en zijn team vuurden een laserstraal af op een wolk waterstofgas en lieten de elektronen zo springen van het 2s- naar de 2p-schil, waarin het elektron en het proton elkaar nooit overlappen. Uit de berekening van de hoeveelheid energie die nodig was om het elektron deze sprong te doen maken, bleek hoe zwak het elektron gebonden was in de 2s-schil, wanneer het zich met tussenpozen binnen in het proton bevindt. Daaruit viel de grootte van het proton rechtstreeks af te leiden.

In 2010 volgde Pohl diezelfde logica om de straal van het proton af te leiden uit de Lambverschuiving van muonische waterstof. Maar aangezien muonen zwaarder zijn, hopen ze zich in de 2s-schil dichter op rond protonen dan elektronen. Dat betekent meteen ook dat ze langer binnen in het proton blijven, waardoor het effect van de straal van het proton op de Lambverschuiving in muonische waterstof miljoenen keren sterker speelt dan in normale waterstof.

In het laatste geval diende Hessels tot op een nauwkeurigheidsniveau van deeltjes per miljoen het energieverschil te meten tussen de 2s- en de 2p-schil om er een exacte waarde voor de straal van het proton te kunnen uit afleiden.

De nieuwe resultaten wijzen uit dat bij vroegere pogingen om de straal van het proton in waterstof met elektronen te meten de werkelijke waarde is overschat. Hoe dat komt, is vooralsnog niet duidelijk. Wellicht zullen bepaalde onderzoekers de metingen van de grootte van het proton blijven verbeteren en natrekken om het raadsel definitief op te lossen, maar voor Hessels zit het werk erop. “We ontmantelen onze installatie”, liet hij weten.

This article was originally published by QuantaMagazine.org, an editorially independent online publication launched by the Simons Foundation to enhance public understanding of science.