Gezamenlijk persbericht Nikhef en Vrije Universiteit Amsterdam
------------------------------------------------------------------------------------
17 augustus 2022
Het proton heeft een beetje inwendige charme
Onderzoekers van onder meer Nikhef en de Vrije Universiteit Amsterdam hebben
het eerste bewijs gevonden dat in het proton niet alleen up- en down-quarks
voorkomen maar ook middelzware charm-quarks. Hun analyse van de grootste
dataset ooit staat deze week in Nature.
Theoretisch natuurkundige Juan Rojo van Nikhef en de Vrije Universiteit
Amsterdam geeft toe dat het gek klinkt. In het proton, de kern van een
waterstofatomen, zitten quarks die zwaarder zijn dan het proton zelf. “Dat gaat
in tegen alle gezonde verstand. Het is alsof je een pak zout van een kilo
koopt, waar vervolgens twee kilo zand uitkomt. Maar in de quantummechanica kan
zoiets dus gewoon.”
Protonen bestaan volgens de deeltjesfysica in principe uit een drietal quarks,
twee up- en een down-quark, die door gluonen bij elkaar worden gehouden. In de
schimmige quantumwereld is het echter niet uitgesloten dat heel kort ook andere
quarks ontstaat en weer verdwijnen, samen met hun antideeltje. Bijvoorbeeld het
charm-quark, zo’n duizend keer zwaarder dan een up-quark.
Rojo is hoofdauteur van het Nature-artikel van de NNPDF-samenwerking (neural
network parton distribution function), een gelegenheidsgezelschap dat
kunstmatige intelligentie gebruikt om metingen aan protonen uit allerlei
experimenten te combineren en analyseren. Dat vereist ook de beste theoretische
modellen voor het proton.
Vorig jaar publiceerde NNPDF al vermoedens dat in protonen ook zwaardere quarks
dan up en down konden voorkomen, maar statistisch was dat nog niet volledig
overtuigend. De nieuwe analyse heeft een waarschijnlijkheid van 3 sigma dat er
charm-quarks in het proton zitten. “Dat is wat we een serieuze aanwijzing
noemen in de deeltjesfysica”, zegt Rojo opgewekt.
Dat resultaat is ook te danken aan een meting van het LHCb-experiment met de
LHC-versneller op CERN, dat vorig jaar eveneens aanwijzingen zag voor
charm-quarks in protonen.
Het nieuwe resultaat betekent dat in het proton van ongeveer 1 GeV massa nu en
dan spontaan charm-quarks en hun antideeltje opduiken, die een massa hebben van
1,3 GeV elk. Een olifant die soms heel kort opduikt in een mug.
Dat tegenintuïtieve nieuws, zegt Rojo, is vermoedelijk ook de reden dat een
algemeen tijdschrift als Nature het artikel publiceert. “Deeltjesfysica haalt
zelden Nature, tenzij je iets heel bijzonders voor een breed publiek hebt. Dat
beseffen we heel goed.”
In de jacht op charm in het proton zijn eigenlijk twee effecten in het spel,
weten de theoretici van NNPDF. De meeste gegevens over de quarks in protonen
komen van botsende protonen in versnellers. Daarbij voert de beweging van de
botsende protonen zo veel energie aan, dat daaruit soms zware quarks en hun
antideeltje kunnen ontstaan.
Rojo en zijn team gaat het echter om wat heet de intrinsieke charm-aanwezigheid
in het proton: charm-quarks die van nature nu en dan in het onverstoorde proton
opduiken. Het gaat wel om een heel zeldzaam verschijnsel: minder dan een
procent van de energie van het kerndeeltje is aan charm toe te schrijven,
blijkt uit de analyse.
Toch kan het kleine effect ook voor de deeltjesfysica zelf van groot belang
blijken, denkt Rojo. “In de experimenten op CERN schieten we protonen op elkaar
en zoeken we naar subtiele afwijkingen die op nieuwe deeltjes of krachten
kunnen wijzen. Dat kan alleen als je perfect begrijpt wat je op elkaar schiet.
Precies daarin hebben we nu een nieuwe stap gezet.”
Meer informatie
Nature publicatie:
Evidence for intrinsic charm quarks in the proton
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04998-2 ;
<https://www.nature.com/articles/s41586-022-04998-2>
Contact
Dr. Juan Rojo, j.rojo@xxxxxxxxx, +31657730483
