Het atoom wordt verpulverd

Hoe klein de kern ook mag zijn, zijn dichtheid is absurd hoog. Een luciferdoosje met nucleair materiaal zou net zo veel wegen als 7 miljard m3 water – dat wil zeggen 2,8 miljoen Olympische zwembaden bij elkaar.

Ondanks de hoeveelheid holtes houden elektromagnetische krachten de atoomkern en de elektronenwolk bij elkaar, waardoor ze de stevige, stabiele bouwstenen vormen van alle vaste, vloeibare en gasvormige stoffen die er in het heelal zijn.

Natuurkundigen weten al heel lang dat de atoomkern uit protonen en neutronen bestaat en dat die kerndeeltjes nog kleinere bouwstenen bevatten.

Toch is de reis naar de kleinste bestanddelen van het heelal nog maar net begonnen, want al zijn protonen en neutronen bekend, ze houden koppig vast aan veel van hun geheimen.

Maar daar gaan allerlei natuurkundige experimenten in Europa en de VS verandering in brengen.

Britten gaan tot de kern

Het idee dat alles uit piepkleine bouwstenen bestaat, stamt uit de oudheid.

In 400 v.Chr. dachten de twee Griekse filosofen Leukippos en Democritus dat materie bestond uit kleine massieve bollen.

Die noemden ze atomos: ondeelbaar. Ze stelden zich voor dat de atomen in vaste stoffen zoals ijzer hard waren en met haakjes aan elkaar zaten, terwijl de atomen in vloeistoffen zacht en glad waren.

De theorie werd weer opgediept in 1897, toen de Britse natuurkundige J.J. Thomson aantoonde dat de Grieken ongelijk hadden – het atoom was niet ondeelbaar.

Thomson onderzocht straling van twee elektroden en ontdekte dat de negatieve elektrode stralen uitzond die werden aangetrokken door positief geladen metalen platen en afgestoten door negatieve platen.

Volgens Thomson bestonden de stralen uit negatief geladen deeltjes die door de atomen in de elektrode werden uitgezonden.

Die deeltjes werden elektronen genoemd. Volgens Thomsons ‘plumpuddingmodel’ – genoemd naar een Engelse cake – bestond het massieve, ronde atoom uit een positief geladen ‘deeg’ met negatieve ‘rozijnen’: de elektronen.

De plumpuddingtheorie ging onderuit toen de Britse natuurkundige Ernest Rutherford in 1909 stralen van positief geladen alfadeeltjes afvuurde op goudfolie.

De piepkleine positieve deeltjes zouden volgens Thomsons model dwars door de goudfolie moeten gaan, want als de elektronen in een positieve kern zaten zoals rozijnen in een cake, dan zou de kern neutraal zijn en de positieve alfadeeltjes dus niet afstoten.

Video: Animatie van de reis in het atoom

Rutherford merkte tot zijn verbazing dat sommige alfadeeltjes afbogen. Dit moest betekenen dat de positieve lading van de goudatomen geconcentreerd was in een minieme kern met een grotere negatieve elektronenwolk eromheen, die de positief geladen alfadeeltjes uit koers bracht.

Daarna ontstond het idee dat de atoomkern van zware atomen, zoals ijzer, bestaat uit waterstofkernen.

In 1925 doopte Ernest Rutherford deze waterstofkernen om tot protonen en stelde hij vast dat het aantal protonen in een atoomkern de aard van het atoom bepaalt: een zuurstofatoom telt acht protonen en een ijzeratoom 26.

Het proton verdwijnt

Al is het proton al bijna een eeuw bekend, het daagt wetenschappers nog steeds uit; zo ontdekten ze pas in 2019 hoe klein de bouwstenen van het atoom zijn.

Uitgangspunt voor de metingen was een waterstofatoom met een proton in de kern en een elektron.

Een Amerikaans team onder leiding van W. Xiong van de universiteit van Durham in North Carolina bracht het elektron met behulp van radiogolven in een hogere energietoestand en mat zijn frequentie toen het terugkeerde naar de basistoestand.

De natuurkundigen bepaalden zo de dosis energie die het elektron liet springen, en aangezien die dosis afhangt van de grootte van het proton, konden ze berekenen dat de straal van het proton 0,833 biljardste meter is – 5 procent minder dan werd gedacht.

Neutronenleven is een raadsel

De metgezel van het proton in de atoomkern, het neutron, werd ontdekt in 1938 toen de Britse natuurkundige James Chadwick beryllium bestookte met alfadeeltjes.

De berylliumatomen zonden extreem energierijke neutrale stralen uit, die 20 centimeter in een blok lood doordrongen.

Chadwick bewees dat de stralen bestonden uit neutrale kerndeeltjes.

Het bestaan van het neutron verklaart de gewichtsverschilletjes tussen atomen van dezelfde soort; zo bevat een gewoon zuurstofatoom acht protonen en acht neutronen, maar een zwaardere variant van zuurstof heeft tien neutronen in de kern.

Buiten de atoomkern wordt het neutron instabiel en vervalt het tot een proton, een elektron en een neutrino.

De levensduur van vrije neutronen is echter nooit nauwkeurig bepaald; de twee erkende meetmethoden leveren verschillende resultaten op.

Daarom is er een theorie bedacht over een gespiegeld universum van spiegelbeeldatomen dat naast ons eigen heelal bestaat.

Die gespiegelde wereld zou de onbekende donkere massa in sterrenstelsels vormen.

Volgens de theorie kan het meetverschil van de levensduur ontstaan doordat neutronen heen en weer schieten tussen ons heelal en het gespiegelde heelal.

Als een op de 100 vrije neutronen verandert in zijn tegendeel, naar de andere kant verdwijnt en daarna vervalt tot een proton, kan dit het verschil in de meetresultaten verklaren.

Antiquarks in de schijnwerpers

Maar nu breken wetenschappers zich het hoofd over quarks, de binnenste bouwsteen van atomen.

Een proton telt twee upquarks en een downquark, en een neutron bestaat uit twee downquarks en een upquark.

Er zijn ook vier zwaardere quarks, die in onder meer supernova’s voorkomen en al snel tot lichtere deeltjes en straling vervallen.

Vrije quarks waren er alleen in de eerste microseconde na de oerknal, toen het heelal een vuurbal was met een diameter van nog geen 5 kilometer en een temperatuur van 2000 miljard °C. Naarmate het heelal groeide en afkoelde, werden de quarks ingevangen door een soort lijmdeeltjes, gluonen, die de quarks sindsdien per drie vasthouden.

Zo bevat het traditionele model van het proton drie gluonen die de drie quarks in een houdgreep bij elkaar houden.

Volgens nieuwe theorieën is het innerlijk van het proton echter veel dynamischer en ingewikkelder.

Het oude model verklaart namelijk niet waarom de drie quarks maar 5 procent van de protonmassa vormen en slechts deels verantwoordelijk zijn voor de eigenrotatie van het proton.

De nieuwe theorie stelt dat in het proton een complexe dynamiek heerst – quarks en antiquarks ontstaan aldoor en vernietigen elkaar in een soep van talrijke gluonen, die ook ontstaan en verdwijnen.

Om deze theorie te testen wordt de 3,8 kilometer lange versneller RHIC in New York verbouwd tot de Electron-Ion Collider.

Deze moet elektronen en protonen laten botsen met hogere energieën dan ooit tevoren.

De quarks zijn ook ontdekt doordat protonen zijn bestookt met elektronen, die werden weerkaatst door drie kleine puntdeeltjes in het proton.

Met de verbouwde versneller zullen de elektronen dieper in de protonen doordringen en ook het samenspel van de gluonen aan het licht brengen.

Neutrino’s gaan overal doorheen

Nog kleiner dan quarks zijn neutrino’s. Ze worden uitgezonden door instabiele radioactieve atomen met een extra neutron in de kern.

Om stabiel te worden, ondergaat het atoom zogeheten bètaverval, waarbij het neutron wordt omgezet in een proton door een elektron en een neutrino uit te zenden.

Veruit de meeste neutrino’s ontstaan bij fusieprocessen in sterren en schieten weg met bijna de lichtsnelheid.

Iedere seconde raken triljarden zonneneutrino’s de aarde, maar de overgrote meerderheid vliegt dwars door de planeet heen, omdat ze alleen met atomen reageren als ze pal op de minieme kern van een atoom botsen.

Tot 1998 dachten natuurkundigen dat het neutrino geen massa had, maar toen bleek uit metingen in een Japanse en een Canadese detector dat neutrino’s uit de zon een truc uithalen op weg naar de aarde.

Er bestaan drie soorten neutrino’s, maar de zon zendt maar één type uit. Zo’n 30 jaar probeerden natuurkundigen te begrijpen waarom slechts 33 tot 50 procent van de neutrino’s ons bereikte.

Tot ze ontdekten dat neutrino’s onderweg tussen de drie typen kunnen schakelen. De zon zendt ze uit, en voor ze op aarde zijn kunnen ze een of meer keer van identiteit zijn gewisseld.

Neutrino’s kunnen alleen maar van aard veranderen als ze een extreem kleine massa hebben.

Al 20 jaar proberen wetenschappers ze te wegen, en nu heeft de Duitse detector Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) de massa vastgesteld op 1/500.000 van die van het elektron.

De komende jaren willen Duitse natuurkundigen proberen het neutrino beter te wegen, wat astronomen zal helpen te begrijpen welke rol de talloze neutrino’s sinds de oerknal hebben gespeeld in de ontwikkeling van het heelal.

Donkere materie is bonus

Onderzoek naar de toverkunsten van het neutrino zou bovendien een groot raadsel kunnen verklaren: dat van donkere materie.

De drie bekende neutrino’s reageren via de zwakke kernkracht met atoomkernen.

Een nieuwe theorie voorspelt echter dat er een zware grote broer is, een steriel neutrino genaamd omdat dit alleen via zwaartekracht met atomen reageert.

Donkere materie, die 85 procent van de massa in sterrenstelsels uitmaakt, zou heel goed kunnen bestaan uit dergelijke steriele neutrino’s.

De nieuwe theorie voorspelt dat de drie neutrino’s niet alleen in elkaar kunnen transformeren, maar ook in de zware grote broer, die zonder enig spoor uit elke detector zal verdwijnen.

In de VS is nu besloten om de al uitgediende versneller van Fermilab te verbouwen om stralen van neutrino’s te produceren en die door detectoren te sturen die hun identiteitsverandering meten.

Als bij de experimenten het steriele neutrino opduikt, en dus donkere materie, dan zullen de kleinste en wonderlijkste bouwstenen van het atoom de grootste natuurkundige doorbraak in de 21e eeuw boeken.