Elk atoom bevat protonen. Elk scheikundig element heeft een verschillend aantal protonen. Wie, wat, waarom? Het werd ons gewoon gepresenteerd als een feit op school. Ik snapte er niets van maar vond het razend interessant. Even een korte samenvatting van wat Wikipedia schrijft over protonen:

Een proton is onderdeel van een atoom met een positieve lading. De atoomkern van het waterstofatoom, H, bevat één enkel proton. Alle andere atomen bevatten zowel neutronen als protonen. Het aantal protonen van de kern bepaalt tot welk chemisch element het atoom behoort. De lading van één proton is ongeveer gelijk aan 1,602 × 10-19 C. Dit noemt men de elementaire lading. De lading van een elektron is exact tegengesteld aan die van een proton, en dus negatief. In een neutraal atoom is het aantal protonen in de kern gelijk aan het aantal elektronen eromheen. In deze situatie heffen de positieve ladingen van de protonen en de negatieve ladingen van de elektronen elkaar naar buiten op. Het atoom als geheel is dan elektrisch neutraal.

Hierboven een schematische voorstelling van een Lithium-atoom. Zoals hierboven op Wikipedia staat, zo leerde ik het ook op school. Men wist toen nog niets wist van quarkdeeltjes en ook niets over gluonen. Maar Wikipedia vervolgt:

Protonen bestaan op hun beurt weer uit quarks, namelijk twee ‘up’ quarks, een ‘down’ quark en kortlevende quark-antiquarkparen. Deze quarks worden bij elkaar gehouden door gluonen, de dragers van de sterke kernkracht. Aangezien de elektromagnetische kracht vele malen sterker is dan de zwaartekracht, moet men concluderen dat het aantal protonen in het universum gelijk is aan het aantal elektronen. Was dat niet het geval, dan zou de netto afstoting door het overschot aan positieve of negatieve lading een merkbaar effect hebben op de expansie van het universum en op alle materie onder de invloed van zwaartekracht (planeten, sterren, en dergelijke).

We weten tegenwoordig dus veel meer als wat ik leerde in de zestiger jaren van de twintigste eeuw. Maar inmiddels blijkt dat we eigenlijk nog steeds lang niet alles van protonen weten. In het vakblad Nature beschreven fysici deze week over opmerkelijk gedrag van protonen:

Stel ze bloot aan een elektromagnetisch veld, dan zal de elektrische lading zich fysiek op een andere manier over het deeltje verdelen dan je zou verwachten.
‘Wat ze hier waarnemen is echt opmerkelijk’, zegt Juan Rojo van de Vrije Universiteit Amsterdam, die zelf regelmatig onderzoek doet naar de kleine deeltjes. Hij is zelf niet bij dat onderzoek betrokken. ‘Deze meting laat duidelijk zien dat zich in het binnenste van protonen processen afspelen die we simpelweg nog niet begrijpen. De aandacht ging tot nu toe uit naar nieuwe, exotische deeltjes en naar nog onbekende natuurkunde buiten het standaardmodel’. Het standaardmodel klopt niet, zo past bijvoorbeeld de zwaartekracht er niet in. In die zin is het dus logisch dat men vooral zocht naar nieuwe deeltjes, het proton leek niet interessant. Maar plots deden fysici de ene na de andere ontdekking over bizar of onverwacht protongedrag. ‘Steeds meer fysici zagen daardoor in dat er binnen het standaardmodel, binnen de bekende natuurkunde, ook nog veel te leren valt’, zegt Rojo. ‘Het proton is echt interessant.’ Zelf ontdekte Rojo deze zomer bijvoorbeeld dat protonen charmquarks bevatten. Iets dat al veel langer werd vermoed, maar ook op twijfel stuitte omdat het zo bizar is: charmquarks zijn namelijk zwaarder dan het proton zelf. Alsof je een kilogram zware verhuisdoos vol boeken uitpakt en na afloop twee kilogram in de kast hebt staan. Het vormde bovendien de volgende bevestiging van een inzicht dat minstens even opmerkelijk is. Wanneer je protonen openmaakt, ontdek je daarin geen overzichtelijke bouwsteentjes – twee upquarks, en één downquark, zoals het decennialang in de natuurkundeboeken stond – maar een chaotische deeltjeszee van quarks en andere elementaire deeltjes. Sterker nog, zo bleek vorig jaar uit onderzoek: in die zo alledaags lijkende protonen schuilt zelfs antimaterie, het mysterieuze spiegelbeeld van gewone materie waarvan normaliter in de kosmos vrijwel elk spoor ontbreekt. Rojo vermoedt dat al die opmerkelijke vondsten rond het proton het gevolg moeten zijn van een eigenschap van de natuur die we nog niet goed begrijpen. ‘Ik denk dat dit stukjes zijn van een grotere puzzel’, zegt hij. ‘Ik heb sterk het gevoel dat het niet los van elkaar staat.’ Op welke manier al die puzzelstukjes in elkaar passen, weet echter niemand. In de Verenigde Staten werkt men inmiddels aan de Electron-Ion collider, die onder meer bedoeld is om de interne structuur van protonen beter bloot te leggen. Dat apparaat, met een prijskaartje van omgerekend een grove twee miljard euro zal worden gebouwd in het Brookhaven National Laboratory in de staat New York. Rond 2030 moet het klaar zijn voor de eerste metingen. ‘Ik verwacht veel van dat experiment’, zegt Rojo. ‘Het kan straks precies het soort vragen beantwoorden waar we in de natuurkunde nu mee rondlopen.’ Nog een jaar of tien dus, totdat we eindelijk de diepste geheimen leren kennen van dat meest alledaagse aller deeltjes.

Het heelal is veel te zwaar, er moet zoiets als antimaterie zijn zo wordt al decennia gedacht. Maar hoe er ook wordt gezocht en gemeten, het is nog steeds niet gevonden. Het is misschien wel veel dichterbij dan we denken. In elk proton zou wel eens antimaterie kunnen zitten. Men is waarschijnlijk op het spoor van nieuwe, fundamentele ontdekkingen!

Het volledige artikel van Georges van Hal in de Volkskrant van 22 oktober 2022