Het proton is bepaald geen onbelangrijk deeltje: het maakt deel uit van elk atoom. Maar hoe groot is het nu precies? Kleiner dan we dachten, lijkt nieuw onderzoek uit te wijzen. Tenminste, als je de protongrootte op een heel bepaalde manier meet.

Het bepalen van de straal van een proton is natuurlijk geen kwestie van er even een meetlat naast leggen. Wel kun je kijken naar het element waterstof, dat bestaat uit één proton en één elektron. Zo’n atoom stel je je waarschijnlijk voor als een elektron dat netjes een baan rond het proton beschrijft, maar volgens de quantummechanica is er een kleine kans dat het elektron zich niet buiten, maar ín het proton bevindt. Op die plek is het elektrische veld dat het negatief geladen elektron ten gevolge van het positief geladen proton voelt wat zwakker. Daarbij geldt bovendien dat hoe groter het proton is, des te groter de kans is dat het elektron zich erin bevindt – en dus hoe zwakker het veld dat proton en elektron bij elkaar houdt netto is.

Je kunt je dus voorstellen dat de sterkte van het elektrisch veld tussen elektron en proton je vertelt hoe groot het proton is. Maar hoe meet je dat? Bijvoorbeeld door te kijken naar de stapjes die elektronen in een atoom kunnen zetten van de ene naar de andere energie. De grootte van zo’n stapje is namelijk afhankelijk van de sterkte van het elektrisch veld tussen proton en elektron – en dus van de straal van het proton. Bij gewoon waterstof is het relevante stapje uitgebreid gemeten. Op basis daarvan én andere experimenten is vervolgens ‘de’ protonstraal vastgesteld.

Muonisch waterstof

Maar nieuw onderzoek, afgelopen week gepubliceerd in Science, vindt een waarde die daar een flink stuk onder ligt. De gebruikte methode: kijk niet naar gewoon waterstof, maar naar zogenoemd muonisch waterstof. Dat wil zeggen: naar waterstof waarbij het elektron vervangen is door een ander negatief deeltje, het muon. Een van de eigenschappen van muonische waterstofatomen is dat ze veel kleiner zijn dan ‘elektronische’ waterstofatomen. Hierdoor bevindt een muon zich veel vaker in het proton dan een elektron en dat zorgt er weer voor dat de invloed van de protonstraal op de sterkte van het elektrisch veld in dit geval veel groter is.

Kortom: muonisch waterstof zou een preciezere manier moeten leveren om de afmetingen van het proton vast te stellen dan gewoon waterstof. Maar nu blijkt daar dus een andere, veel kleinere waarde uit te rollen dan uit andere experimenten – een gegeven dat ook uit eerder onderzoek leek te volgen en toen al voor flink wat discussie zorgde.

Nieuwe natuurkunde?

Een reden voor het verschil kunnen de onderzoekers nog niet geven. Eén mogelijkheid die ze aanstippen: dat muonen en protonen op de een of andere manier anders met elkaar omspringen dan elektronen en protonen (los van het feit dat muonen zwaarder zijn dan elektronen) en dat dáárdoor de protonenstraal kleiner lijkt als je hem meet met behulp van muonen. Dan zou er sprake zijn van een verschijnsel dat geen plek heeft in onze huidige deeltjestheorieën, oftewel: van nieuwe natuurkunde. En dat is natuurlijk altijd interessant.

Bron: Science

Beeld: LBL