Op het allerkleinste niveau is niets zoals het lijkt. Een atoomkern bestaat uit protonen en neutronen, maar het gewicht ervan is veel groter dan de som der delen. De kerndeeltjes, protonen en neutronen, zijn gemaakt van quarks en gluonen, maar ook daarvan is de massa geen simpele optelsom. De gewichten van protonen en neutronen die in de encyclopedie staan, zijn gevonden door experimenteel hun energie te meten, en die dan aan een gewicht te koppelen. Dat kunnen we al bijna negentig jaar. Maar vreemd genoeg was er tot nu toe niemand die kon uitleggen waar dat gewicht precies vandaan komt.

In het eenvoudige plaatje van een kerndeeltje zitten drie quarks bij elkaar geclusterd, samengekleefd door krachtdeeltjes, zogenaamde gluonen. Die gluonen zijn de boodschapperdeeltjes van de sterke kernkracht, één van de vier fundamentele krachten die ervoor zorgt dat atoomkernen niet uit elkaar vallen. Maar in de kwantummechanische werkelijkheid verschieten de quarks de hele tijd van ‘kleur’, zoals natuurkundigen dat noemen. De atoomkern is een brij van veranderende deeltjes, waarin niets langer dan een fractie van een seconde hetzelfde blijft. Zo’n chaotisch systeem is nauwelijks te beschrijven – laat staan dat je makkelijk uit kan rekenen wat er gebeurt.

Rekenwonder

Twaalf onderzoekers uit Frankrijk, Duitsland en Hongarije hebben daarom een rekenwonder ingezet om de massa van kerndeeltjes te bepalen – een supercomputer. Die computer kreeg een programma te verwerken met daarin alle onderdelen van een proton en alle natuurwetten die daar spelen. Door te simuleren hoe die deeltjes met elkaar wisselwerken kon de computer berekenen hoe zwaar het proton in werkelijkheid moet zijn. Hoewel de supercomputer die werd gebruikt enorm snel is, moet het model toch nog iets vereenvoudigd worden. Zo mogen in het computermodel de quarks maar op een beperkt aantal plaatsen zitten, en gaat de tijd vooruit in kleine tikjes in plaats van vloeiend. Na vele duizenden rekenuren lag het antwoord op tafel: het proton is 1,6726231×10^-27 kilo.

Het resultaat was weinig verrassend: dat gewicht kennen we al bijna negentig jaar uit experimentele gewichtsmetingen. Tegelijkertijd is het een baanbrekend resultaat, omdat het tot nu toe nooit lukte om zo’n groot kwantummechanisch systeem met een computer te kraken. Bovendien toont het aan dat de theorie die werd gebruikt om de protonmassa te berekenen, de kwantumchromodynamica, klopt. Die theorie ligt ook ten grondslag aan het standaardmodel van elementaire deeltjes, dat al jaren wordt gezien als de ultieme beschrijving van de bouwstenen van het universum.

Goed nieuws voor Higgs

Voor de deeltjeswetenschappers die op zoek zijn naar het mysterieuze Higgs-deeltje is de berekening van de protonmassa een steuntje in de rug. Het Higgs-deeltje wordt namelijk voorspeld door het standaardmodel, en dat model staat dankzij het rekenwerk van de supercomputer weer een stuk steviger in zijn schoenen. Als deze zomer de Large Hadron Collider in Genève wordt aangezet, zullen zij dan ook vol goede moed hun zoektocht naar het Higgs-deeltje voortzetten.