Met de Italiaanse deeltjesversneller DAFNE zijn waarschijnlijk waterstofkernen geproduceerd die zes keer zo zwaar zijn als huis-, tuin- en keukenwaterstof.

Normaal gesproken bestaat de kern van een waterstofatoom uit één proton en verder niets. Zit daar een neutron bij, dan spreken we van ‘zwaar waterstof’, of deuterium. Voeg je daar een tweede neutron aan toe, dan krijg je tritium, of, zo je wil, superzwaar waterstof. Maar Italiaanse natuurkundigen hebben nu tekenen gevonden van een deeltje dat nog een paar stappen verder gaat: een waterstofkern die bestaat uit één proton, vier neutronen én een extra zware variant op het neutron. Een deeltje dus dat je met recht waterstof met flinke obesitas kunt noemen.

Biljoen keer langer leven

Hoe maak je zo’n extreem zwaar waterstofdeeltje? Stap één is met een deeltjesversneller elektronen laten botsen op hun antideeltjes, zodat ze elkaar vernietigen. Laat je die botsingen bij één specifieke energie plaatsvinden, zoals gebeurt in de Italiaanse versneller DAFNE, dan ontstaat uit de energie die daarbij vrijkomt een zogenoemd phi-meson. Zo’n phi-meson bestaat niet uit de deeltjes waar protonen en neutronen van zijn gemaakt – up- en downquarks – maar uit een zwaarder type quark, namelijk een strange quark, en het bijbehorende antideeltje.

Een phi-meson is vervolgens geen lang leven beschoren: na een fractie van een seconde vervalt het tot andere deeltjes. Daarbij kan een ander meson ontstaan, het negatieve K-meson, dat bestaat uit een strange quark en een anti-upquark. Botst zo’n K-deeltje vervolgens op een lithiumkern (drie protonen, drie neutronen), dan kan daaruit een waterstofkern ontstaan met vier neutronen en een zogenoemd hyperon: een zwaar, neutron-achtig deeltje waarbij één van de down-quarks is vervangen door een strange quark.

Interessant daarbij is dat dit hyperon het geheel niet instabieler maakt, zoals je misschien zou verwachten, maar juist veel stabieler. Een waterstofatoom met vier neutronen en een hyperon ‘leeft’ namelijk een biljoen keer zo lang als een waterstofatoom met vier neutronen zónder hyperon.

3 op 27 miljoen

Een ‘obesitaswaterstofkern’ ontstaat niet bepaald vaak op de hierboven omschreven manier. In de periode van 2003 en 2007 botsten in het DAFNA-experiment FINUDA (zie foto) maar liefst 27 miljoen kaonen op lithiumatomen, en daarbij werden welgeteld drie (!) van deze waterstofdeeltjes waargenomen.

Combineer je die schrale oogst met het feit dat er andere reacties mogelijk zijn die ongeveer hetzelfde resultaat opleveren en het gegeven dat de aan het experiment gekoppelde herkenningsalgoritmes soms een foutje maken, en je hebt nog geen ijzersterk bewijs. Maar op zich ligt het wel in de lijn der verwachtingen dat waterstof-met-vier-neutronen-en-een-hyperon kan bestaan; het werd bijna vijftig jaar geleden al door theoretici voorspeld.

Bronnen: Physical Review Letters (preprint op ArXiv.org), PhysOrg.com

Beeld: INFN – Frascati National Laboratories