Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Subatomaire Fysica NIKHEF hebben aanwijzingen gevonden dat lijmdeeltjes, de gluonen, mogelijk aanzienlijk bijdragen aan de spin van protonen en neutronen. Tot nu toe dachten natuurkundigen dat alleen tollende quarks verantwoordelijk waren voor de spin van een proton of neutron. Fysicus David Heesbeen promoveert op 6 juni op het onderzoek.
Een voorstelling van de quarks en gluonen in een kerndeeltje. De gluonen zijn de ‘boodschappers’ van de sterke kernkracht, die de quarks bij elkaar houdt. bron: Jean-François Colonna
Atoomkernen bestaan uit twee verschillende kerndeeltjes, het proton en het neutron. Deze kerndeeltjes tollen rond. Dat wordt aangeduid met de term spin. Lijmdeeltjes, de gluonen, houden de quarks bij elkaar waaruit een kerndeeltje is opgebouwd. De quarks tollen ook rond en het ligt voor de hand te veronderstellen dat alle quarkspins bij elkaar de spin van een kerndeeltje opleveren. Dit blijkt niet het geval te zijn. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Subatomaire Fysica NIKHEF hebben nu aanwijzingen gevonden dat de gluondeeltjes mogelijk aanzienlijk aan de spin van de kerndeeltjes bijdragen.
Omdat de spin van een kerndeeltje blijkbaar voortkomt uit meer bijdragen dan die van de quarks alleen, verrichtten onderzoekers van NIKHEF metingen om de mogelijke bijdrage van gluonen aan de spin van de kern te bepalen.
De natuurkundigen deden hun onderzoek met het experiment HERMES en de elektronenbundel van de HERA-opslagring bij het versnellerinstituut DESY in Hamburg. De elektronenbundel in HERA bestaat uit gepolariseerde elektronen. Dat betekent dat de spins van die elektronen vrijwel allemaal in dezelfde richting wijzen. bron: DESY, Hamburg
Een manier om te zoeken naar de mogelijke bijdrage van de gluonen aan de spin van het proton, is door met gepolariseerde elektronen te schieten op gepolariseerde waterstofatomen (ofwel protonen). De onderzoekers kijken dan speciaal naar een specifiek botsingsproces dat leidt tot de productie van deeltjes die een zogeheten charm-quark bevatten. Die deeltjes zijn een soort zwaar proton waarvan een van de gewone (up-)quarks door een charm-quark is vervangen.
Als gluonen niet bijdragen aan de spin van het proton zullen er ongeacht de relatieve polarisatierichting van de versnelde elektronen en de waterstofatomen een gelijk aantal charmdeeltjes geproduceerd worden. Dragen de gluonen echter wel bij aan de spin van het proton, dan moeten er verschillende hoeveelheden ontstaan.
Uit een groot aantal botsingen selecteerden de onderzoekers de gebeurtenissen waarbij een zwaar proton met charm werd geproduceerd. Vergelijking van het aantal deeltjes bij verschillende relatieve polarisatierichtingen liet zien dat inderdaad sprake is van een (positieve) asymmetrie. Deze asymmetrie lijkt aan te duiden dat de gluonen sterk gepolariseerd zijn in het proton. Er zijn zelfs aanwijzingen dat de bijdrage van de quarks en gluonen samen groter is dan de spin van het kerndeeltje. Dit zou kunnen betekenen dat quarks en/of gluonen een baanbeweging moeten hebben die tegengesteld is aan die van de spin van het proton. Toekomstige metingen zullen dat moeten uitwijzen.