www.sailing-dulce.nl

Logboek 2019/3 Zomer in Noord-Nederland

Gorinchem (19)

Afbeelding van het waterstofatoom met behulp van een quantummicroscoop in 2013 (bron: Arstechnica.com)
Afbeelding van het waterstofatoom met behulp van een quantummicroscoop in 2013 (bron: Arstechnica.com)

Maandag 09-09-2019

Al bijna 10 jaar zoekt men naar een oplossing voor de proton radius puzzle. In de fysica van kleine deeltjesfysica gebruikte men altijd twee methodes om de straal van het proton te meten. NB: het proton is hetzelfde als de kern van een waterstofatoom. Als zich een electron  in een baan (beter: schil) om een proton bevindt, heb je een compleet waterstofatoom.

     De ene methode gebruikte spectroscopie, de andere de verstrooiing van electronen die op de atoom kern werden afgeschoten. De uitkomst van beide methodes kwam met een heel klein verschil uit op een straal van 0.877 femtometer (1 fm = 10−15 m), totdat er in 2010 een derde methode werd gebruikt. Daarbij verving men het electron in het waterstofatoom door het zwaardere muon (muon-spectroscopie). Het muon is 207 keer zwaarder dan een electron en zo onstabiel dat het binnen een paar microseconden vervalt (waarbij een electron en twee neutrino's ontstaan).

     Omdat het muon bijna tweehonderd keer zwaarder is dan een electron, bevindt het zich dichter bij de atoomkern c.q. het proton. De meting leverde nu op dat de straal van het proton significant minder was (ca. 5%) en 0.842 femtometer bedroeg. Hoe kan dat? Je zou denken: wat maakt dat keline verschil nou uit? Het betekent echter dat er in onze fundamentele theorieën over de fysieke werkelijkheid iets niet klopt. Sinds 2010 wordt er naarstig gezocht naar de oplossing van het probleem van de straal van het proton.

 

Nieuw, zojuist gepubliceerd onderzoek van fysici van de York Universiteit in Toronto (publicatie in Science hier) bevestigt de meting van 2010 met een andere methode. De straal van het proton is inderdaad kleiner dan gedacht. De fysica gebruikt tot dusver nog steeds het atoommodel uit 1913 van Niels Bohr, waarin electronen niet meer in cirkelvormige banen om de atoomkern vliegen zoals in het model van Rutherford uit 1911 (vergelijkbaar met planeten die in banen om de zon cirkelen), maar zich als een wolk van negativiteit om een zware positieve atoomkern bevinden. Electronen zijn bij Bohr eigenlijk golfverschijnselen die een deeltjeskarakter krijgen zodra we ze met een meting waarnemen. Zonder meting bevinden electronen zich een soort superpositie, waarin ze zowel deeltje als golf zijn. Het wordt als een golffunctie opgevat, die alle mogelijkheden omvat waar het electron zich kan bevinden - vandaar het beeld van een 'wolk' om de atoomkern. Dat wordt overigens nog in het geheel niet begrepen.

 

Ook het proton, de kern van een waterstofatoom, is eigenlijk wazig. Theoretisch is het opgebouwd uit 3 quarks (2 up-quarks en 1 down-quark), electrisch geladen deeltjes die het proton zijn positieve lading geven, en die bijeengehouden worden door de sterke kernkracht, een van de vier natuurkrachten. Het feit dat ook het proton wazig is maakt het moeilijk om zijn straal precies te meten. Natuurkundigen gebruiken daarvoor op een slimme manier de (positieve) lading van het proton. Als die op zekere afstand opeens terugvalt onder een drempelwaarde, zegt men dat het proton daar ophoudt. Al die wazigheid van de elementaire deeltjes betekent dat het electron overal om de atoomkern kan zijn, zelfs er binnen. Omdat bij muon-spectroscopie het muon bijna 200 keer zwaarder is dan het electron en dus een smallere baan heeft, is de kans groter dat het zich binnen het proton bevindt. Dat is zelfs 10 miljoen keer waarschijnlijker.

     Met een fraaie, uitgekiende techniek kun je het meten. Een muon of electron dat door het proton danst, wordt aan alle kanten aangetrokken door de positieve kernlading. Op zo'n moment is er geen netto-aantrekking van het muon (of electron). Dat levert een verschil op tussen energieniveaus van het deeltje binnen en buiten het proton en dat verschil kan gemeten worden met laser spectroscopie. Bij het muon werd echter een significant ander verschil gemeten met het electron, resulterend in een straal van het proton die 0.841 femtometer bedroeg, 0.00000000000003 millimeters smaller. De metingen werden vele malen herhaald en leverden dezelfde uitkomsten op.

 

De nieuwe, verfijndere metingen in Toronto leveren nu ook de kleinere straal op. In dit geval  0.833 femtometer (juist onder een-triljoenste van een meter), die vrijwel overeenkomt met de metingen van 2010. Dat maakt het waarschijnlijker dat de kleinere straal van het proton de juiste is. Daarmee verdwijnt mogelijk de eerdere, bijna 10 jaar oude discrepantie in de metingen. Als verdere, precieze metingen de kleinere omvang van het proton bevestigen, dan blijft het Standaardmodel van de deelstjesfysica uit de tweede helft van de vorige eeuw nog steeds intact. Dat is een belangrijk uitgangspunt voor verder onderzoek naar de allerkleinste vormen van de werkelijkheid.

(Bij het schrijven van dit stuk maakte ik ondermeer dankbaar gebruik van dit artikel in Arstechnica).

 

Deze maandag veel zon. We doen boodschappen. We overwegen een kleine vaatwasser te laten inbouwen in ons keukentje. Het ziet ernaar uit dat die kan passen. Terug naar boven