CERN Photo

Frank Wilczek was een 21-jarige afgestudeerde student aan Princeton University toen hij deze theorie van het proton in 1973 ontwikkelde. Hij begreep het zelf eerst niet echt; hij volgde gewoon waar de wiskunde hem heen leidde. “We hebben de berekeningen gedaan, maar we hadden geen eenvoudig intuïtief begrip”, zegt Wilczek. “Het fysieke beeld kwam later.”Die foto duurde even, zelfs voor natuurkundigen om te absorberen, want het is echt niet eenvoudig. Zelfs vandaag de dag, als je een natuurkundige vraagt om een proton te beschrijven, krijg je eerst een cartoonversie—degene die zegt dat een proton gewoon gemaakt is van drie kleinere deeltjes, quarks genaamd. Die beschrijving is niet echt onwaar—het is gewoon lage resolutie. Het is waar zoals een foto van Times Square vanaf 30.000 voet waar is. De close-up realiteit, die Wilczek en zijn collega ‘ s lang geleden hebben gezien, is veel meer gek en vreemd.

een proton bestaat uit drie quarks, Ja, maar de quarks zijn oneindig klein – slechts 2 procent of zo van de totale massa van het proton. Ze rammelen rond met bijna lichtsnelheid in het proton, maar ze zitten gevangen in flikkerende wolken van andere deeltjes—andere quarks, die kort materialiseren en dan verdwijnen en vooral gluonen, die de kracht overbrengen die de quarks samenbindt. Gluonen zijn massaloos en vluchtig, maar ze dragen het grootste deel van de energie van het proton. Daarom is het nauwkeuriger om te zeggen dat protonen van gluonen zijn gemaakt in plaats van quarks. Protonen zijn kleine stukjes lijm – maar zelfs dat beeld brengt iets te statisch en substantieel over. Alles is flux en knetterende energie in een proton; het is als een oneindige bliksemstorm in een fles, een fles minder dan .Een biljoenste van een inch in diameter. “Het is een zeer rijke, dynamische structuur”, zegt Wilczek. “En het is zeer verheugend dat we een theorie hebben die het kan reproduceren.”

vooral als je toevallig een van de jongens bent die de theorie uitvond, en als, meer dan twee decennia later, die theorie daadwerkelijk wordt geverifieerd door experiment. Bij een deeltjesversneller genaamd HERA in Hamburg, Duitsland, hebben natuurkundigen de afgelopen acht jaar elektronen in protonen afgevuurd, waaruit blijkt hoe weinig er in de quarks zit. Ondertussen kunnen andere versneller experimenten snel onthullen hoe het heelal al zijn protonen in elkaar heeft gezet. In Februari kondigden natuurkundigen van CERN, het Europese Laboratorium voor deeltjesfysica Buiten Genève, “overtuigend bewijs” aan dat ze erin geslaagd waren grote aantallen protonen te smelten, waardoor voor een ogenblik het soort quark-gluonplasma ontstond dat een microseconde na de oerknal voor het laatst bestond. Alle protonen rond nu gestolde van die soep. In Brookhaven National Laboratory op Long Island in New York wordt deze zomer elke dag een nieuwe en krachtigere versneller klaargemaakt om quark-gluon soep te koken. Tegen volgend jaar hebben natuurkundigen misschien een veel beter idee van hoe het universum was toen het een miljard keer warmer was dan het oppervlak van de zon, en quarks en gluonen—nog niet gevangen in protonen, kernen, atomen, in ons—vrij konden spelen in de kwantumvelden.

Quantumchromodynamica, of QCD, de theorie die Wilczek en zijn collega ‘ s hebben uitgevonden, is een type kwantumveldentheorie, en de kwantumveldentheorie voor beginners gaat ongeveer zo. Ten eerste, E=mc2, zoals Einstein ontdekte. Dat wil zeggen, energie kan worden omgezet in Massa en vice versa. Ten tweede, lege ruimte is niet leeg: wat we een vacuüm noemen is eigenlijk bruisend van allerlei energievelden, en de energie manifesteert zich voortdurend als “virtuele” deeltjes die in het bestaan opduiken en dan weer verdwijnen in iets minder dan een biljoenste van een nanoseconde. “Het zou niet erg nuttig voor ons zijn om deze structuur van het vacuüm te zien”, zegt Wilczek, die nu professor is aan het Institute for Advanced Study in Princeton, waar hij woont in het oude huis van Einstein. “Het zou ons niet helpen om sabeltandtijgers te vermijden of onze kinderen op te voeden, dus heeft de evolutie ons geleerd om het te negeren. Maar het is er.”

derde (en laatste in onze field-theory primer), wanneer twee subatomaire deeltjes een kracht op elkaar uitoefenen, interageren ze via een van die energievelden, die ze zelf helpen creëren. Ze wisselen één van die virtuele deeltjes uit: de kwantum van het kwantumveld. Een elektron, bijvoorbeeld, heeft een elektrische lading van -1, en die lading genereert een elektrisch veld. Als het elektron beweegt, zoals het altijd is—rond zijn as draait en rond de atoomkern draait-genereert het ook een magnetisch veld; alle magnetische velden worden uiteindelijk gecreëerd door het bewegen van elektrische ladingen. Wanneer twee geladen deeltjes interageren-wanneer bijvoorbeeld een elektron wordt verspreid van een proton in HERA-wisselen ze een virtueel foton uit, de kwantum van het elektromagnetische veld. De theorie die dergelijke interacties beschrijft, uitgevonden door onder andere Richard Feynman, wordt kwantumelektrodynamica of QED genoemd.

in QED is elk individueel elektron omgeven door een wolk van kortlevende virtuele deeltjes-fotonen, maar ook andere elektronen gecombineerd met positronen, hun positief geladen antimaterie tweelingen. Die zwermende deeltjesparen vormen een scherm dat het elektronenveld gedeeltelijk annuleert – tenminste gezien van buiten het scherm. Van binnen in het scherm, aan de andere kant, het veld lijkt sterker dan je zou verwachten, zoals een kale gloeilamp zodra een lampenkap is verwijderd. “OK, dus dat is screening, en dat is vrij gemakkelijk te begrijpen,” zegt Wilczek. “Wat er gebeurt in QCD, in het proton, is precies het tegenovergestelde: het is antiscreening. Het was zelfs voor ons een verrassing, dus het kan niet te simpel zijn. Maar we zijn het in de loop der jaren meer elementair gaan begrijpen. de vroege jaren 1970, toen Wilczek zijn baanbrekende werk deed, was een tijd voor deeltjesfysici. Hun lucht is iets anders dan wat de rest van ons inademt, en QCD zat erin. Een paar jaar eerder hadden onderzoekers van het Stanford Linear Accelerator Center voor het eerst elektronen versneld tot energieën die hoog genoeg waren om protonen te penetreren. De elektronen leken niet in brij te storten; ze leken af te stuiteren van puntachtige klompjes in de protonen. Quarks, die in 1964 als puur wiskundige entiteiten werden gepostuleerd, begonnen te lijken alsof ze echt in protonen konden bestaan—en de vraag hoe het hele ding bij elkaar werd gehouden werd urgent en spannend. Terwijl Wilczek en zijn adviseur, David Gross, het antwoord op Princeton ontdekten, ontdekte een andere afgestudeerde student genaamd David Politzer het onafhankelijk op Harvard. Gross was de Oude man van het trio toen hij 31 was. “We hadden het geluk dat we toen jong waren, “schreef hij later,” toen we langs de nieuw geopende stranden konden wandelen en de vele mooie schelpen konden oppikken die het experiment had onthuld.”

Eén shell was vreemder dan de rest. De Stanford experimenten leken aan te tonen dat de kracht tussen quarks—bekend als de sterke kracht—eigenlijk zwakker werd naarmate de quarks dichter bij elkaar kwamen. Dat was heel vreemd. De krachten die we dagelijks tegenkomen, elektromagnetisme en zwaartekracht, werken precies andersom: ze zijn sterker op korte afstand van hun bron en zwakker op lange afstand. Dat is de intuïtieve manier; dat is hoe de dingen zouden moeten zijn. Anders zouden bijvoorbeeld magneten van uw koelkast vliegen om zich aan de verre verleidelijke kachel vast te klampen—behalve dat de koelkast er vanaf een afstand weer goed voor hen zou gaan uitzien. En toch, hoe zwak de sterke kracht ook was op zeer korte afstanden, het was sterk genoeg op langere afstanden om fysici te frustreren die hard hadden geprobeerd en er niet in slaagden om een kwark uit een proton te trekken. Niemand was erin geslaagd om een te observeren in isolatie.Wilczek en Gross gingen op zoek naar een kwantumveldtheorie die zo ‘ n kracht zou kunnen verklaren. Gross verwachtte dat ze zouden falen.; hij wilde bewijzen dat de veldtheorie een dood spoor was. Maar één soort wiskundig formalisme, niet-abelse ijktheorie genoemd, was nog niet uitgeprobeerd. Wilczek vulde een half jaar een notitieboek met berekeningen van hoe deeltjes zouden interageren door een niet-Abeliaans kwantumveld. Op het einde had hij een kracht die sterker werd van dichtbij, zoals een goede kracht zou moeten, zoals bruto verwacht—maar in tegenstelling tot wat was gemeten op Stanford. Wilczek controleerde de lange berekeningen keer op keer. Toen zag Gross een plusteken in de veldvergelijking die een min had moeten zijn. Dat bord veranderde alles: QCD was geboren.volgens QCD zijn de quarks in een proton “asymptotisch vrij”, zoals de Stanford-resultaten suggereren, wat betekent dat ze bewegen alsof er helemaal geen kracht tussen hen is. Maar de vrijheid is een illusie: een quark kan nooit aan zijn partners ontsnappen. Naarmate de afstand tussen hen toeneemt, neemt ook de kracht toe, en zo wordt een eigenzinnige quark onvermijdelijk ingeperkt, zoals een bungee jumper. Daarom heeft of zal niemand ooit een eenzame quark zien, wat, als je erover nadenkt, heel vreemd is. “Het proton heeft delen, maar het kan niet uit elkaar worden gehaald”, zegt Alvaro de Rújula, een theoretisch natuurkundige bij CERN. “Je kunt een elektron in je hand houden. Je kunt geen quark of gluon in je hand houden.”

de vreemdheid komt van de gluonen. Kwantumchromodynamica, de kracht die protonen bij elkaar houdt, is nauw gemodelleerd op kwantumelektrodynamica, de kracht die atomen bij elkaar houdt—maar de gluonen veranderen screening naar antiscreening, intuïtief naar bizar. In de kwantumchromodynamica dragen quarks een nieuw soort lading, genaamd kleur – wat niets met gewone kleur te maken heeft—en die ladingen genereren een kleurveld (vandaar de naam chromodynamica). De kwantum van het veld, en de zender van de sterke kracht, is het gluon. Net als het foton dat de elektromagnetische kracht uitzendt, is een gluon massaloos. Maar in tegenstelling tot het foton is een gluon opgeladen. Het genereert zijn eigen kleurenveld, oefent zijn eigen sterke kracht uit en inerteert met andere gluonen. Het leidt een rijk leven.

het kleurenveld, net als het elektromagnetische veld, kan worden gezien als twee componenten—noem ze kleur elektrisch en kleur magnetisch. Een snel bewegende kleurlading—gluonen bewegen met lichtsnelheid-genereert een sterk kleur-magnetisch veld. Gluonen zijn dus als kleine dipoolmagneten. De gluonen die een quark omringen richten zich parallel aan zijn kleurveld, zoals magneten zouden doen, en dus in plaats van het te verzwakken, zoals virtuele deeltjes een elektronenveld doen, versterken ze het. Ze ontsmetten de quark, versterken het veld. Hier werkt de lampanalogie niet meer-de quark is een schemerige lamp die op de een of andere manier helderder wordt buiten de schaduw.

dat is wat een proton bij elkaar houdt, en dat is wat het een bizarre interne structuur geeft. Als een quark erin slaagt om in de gluonwolk van een ander te komen, voelt het slechts een zwakke aantrekkingskracht. Maar hoe verder weg het gaat, hoe meer het de toegevoegde aantrekkingskracht van gluonen voelt-gluonen die door de quarks worden uitgestraald, gluonen die door andere gluonen worden uitgestraald, gluonen die materialiseren tot virtuele quark-antiquarkparen, die meer gluonen uitwisselen. “De quarks activeren het hele ding, maar als het eenmaal begint, is het een zeer krachtig proces, omdat de gluonen interageren”, zegt Wilczek. “Het is een soort van op hol geslagen proces.In 1974 stelden de Rújula, Politzer, Wilczek en enkele andere natuurkundigen deze gluonisatie van het proton voor en stelden ze voor hoe het op een dag gemeten zou kunnen worden. Twee decennia later begonnen wetenschappers bij HERA precies dat te doen. HERA is een ringvormige versneller, bijna vier mijl rond, waarbij elektronen die 47.000 rondjes per seconde doen, worden ingeslagen in protonen die de andere kant op gaan. Hoe groter de energie van de botsing, hoe dieper een elektron in een proton kan boren voordat hij wordt afgebogen. Door te meten hoe het elektron wordt afgebogen in miljoenen botsingen, kunnen natuurkundigen informatie verzamelen over de interne componenten die het afbuigen doen. Het is als het nemen van een foto van de binnenkant van een proton, zegt Wilczek, pixel voor pixel—en de resultaten passen bij het voorstel dat hij en zijn collega ‘ s decennia geleden maakten.

” Het is alleen op het ruwste niveau dat een proton bestaat uit drie quarks, ” zegt Wilczek. “Als je goed kijkt en in deze wolken stapt en de basisstructuur begint te zien, zie je dat het voornamelijk lijm is.”

dat maakt des te interessanter de vraag hoe het universum ooit in staat is geweest om zoiets te ontwerpen.

een bezoek aan een deeltjesfysisch laboratorium moet worden getroffen door een contrast in schaal-tussen de kleinheid van de objecten die worden bestudeerd en de enorme hoeveelheid middelen—mensen, machines, rekenkracht, elektrische energie, ruimte, geld—die eraan worden besteed. (Als die Infrastructuur lijkt een hoge prijs te betalen voor informatie over de oorsprong van het universum, van mening dat het Web—ontworpen om wetenschappers te helpen communiceren enorme data—bestanden-is een CERN geesteskind. CERN verbruikt bijna evenveel elektriciteit als de stad Genève, haar buurman. CERN ‘ s grootste versneller, de grote elektron-Positron collider, bevindt zich in een cirkelvormige tunnel 17 mijl rond. In de komende jaren zal het worden ontmanteld en vervangen door een nog krachtigere versneller, de Large Hadron Collider, die de energie zal herscheppen die een biljoenste seconde na de oerknal bestond. (Hadrons zijn kerndeeltjes, zoals protonen, die gemaakt zijn van quarks en gluonen.) Om een quark-gluon plasma te maken, hoef je niet zo ver terug in de tijd te gaan—de eerste microseconde is genoeg—dus heb je een minder krachtige versneller nodig.

toch is het Superproton Synchrotron op CERN meer dan vier mijl rond. Het is gehuisvest in een tunnel die 300 meter onder de grond ligt, en in die tunnel, in een aluminium buis slechts een paar centimeter breed, worden loodkernen versneld door magneten tot 99,9 procent van de lichtsnelheid. Ze worden dan naar de oppervlakte geleid en in een immense, factoryachtige hal, 300 meter lang. De aluminium buis vertakt in verschillende detectoren, waar de loodkernen-elk bestaande uit 208 protonen en neutronen, de elektrisch neutrale tweeling van protonen—in een stuk loodfolie slaan die slechts een paar honderd micrometer dik is.

wat er vervolgens gebeurt, is in theorie eenvoudig: De botsing maakt een vuurbal intens genoeg om de protonen en neutronen te smelten. De quarks en gluonen circuleren vrij, zoals ze diep in een proton doen, maar nu over een gebied dat veel protonen breed is, en vormen een quark-gluonplasma. “Als je de film van de Big Bang achterstevoren draait, wordt het dichter en dichter, heter en heter”, zegt Reinhard Stock van de Universiteit van Frankfurt, die hielp bij het ontwerpen van een van de CERN-detectoren, ” en we weten dat alle gebonden structuren uiteenvallen wanneer hun energiedichtheid hun bindende energie overschrijdt.”Kwantumchromodynamica vereist dat een quark-gluonplasma bij een bepaalde energiedichtheid bestaat, “maar je moet bewijzen dat het bestaat,” zegt Stock. “En daarom zijn we hier al 15 jaar.”

het probleem is dat de vuurbal in het laboratorium snel uitdijt en snel afkoelt, net zoals de primordiale die men moet hebben gedaan. Het plasma overleeft slechts 10-22 van een seconde voordat de quarks en gluonen opnieuw condenseren tot protonen en andere hadronen. Wat natuurkundigen eigenlijk ontdekken is een spray van duizenden van dergelijke deeltjes die uit de achterkant van de loodfolie komen. In de detector van Stock vliegen de deeltjes dan door een doos argongas ter grootte van een kamer, waardoor elektronen van argonatomen afslaan. Tellers registreren de elektronen, en computers reconstrueren de deeltjessporen, die hun identiteit onthullen. Zodra natuurkundigen de data zondvloed hebben geanalyseerd-elke botsing levert 10 megabyte aan gegevens op, en Stock en zijn collega ‘ s hebben miljoenen botsingen geregistreerd—kunnen ze misschien iets leren over de plasma-producerende vuurbal.de afgelopen jaren hebben de detectoren van Stock en anderen bij CERN bevestigd dat de vuurballen warm genoeg en dicht genoeg zijn om quark-gluonplasma te produceren. Ze hebben een overmaat aan deeltjes gevonden die “vreemde” quarks bevatten en een tekort aan deeltjes die “charme” bevatten-beide zijn bijwerkingen voorspeld door kwantumchromodynamica. (Vreemde quarks en charme quarks zijn exotische soorten die niet in gewone deeltjes worden gevonden.) Het is allemaal een krachtig geval dat CERN quark-gluonplasma heeft gecreëerd-maar het is geen bewijs. “Het probleem is dat ze het niet direct hebben kunnen waarnemen”, zegt Tom Ludlam, een natuurkundige bij Brookhaven National Laboratory. Brookhaven ‘ s relativistische zware Ion Collider, die gepland staat om deze zomer met fysica te beginnen, zal kernen van goud botsen bij 10 keer de energie die mogelijk is bij CERN en zo temperaturen bereiken die een quark-gluonplasma een klein moment langer laten overleven. Als de quarks afkoelen van een biljoen graden, moeten ze warmtestraling uitzenden, in de vorm van gammastraalfotonen. Dat is het meest directe signaal van het quark-gluon plasma, en Brookhaven ‘ s collider moet het kunnen detecteren. Je kunt het zien als de lichtflits die het universum uitstraalde toen al zijn protonen werden geboren.zelfs de wetenschappers van Brookhaven zullen niet in staat zijn om eindelijk een antwoord te geven op de vraag waar protonen vandaan komen. Een centraal mysterie zal blijven. In een proton, als gluonen komen en gaan, als quarks en antiquarks komen en gaan in hun ontelbare zwermen, blijft één getal constant: er zijn altijd drie quarks meer dan er antiquarks zijn. Dat zijn de quarks die, “op het meest grove niveau”, zoals Wilczek het uitdrukt, het proton vormen. Waarom zijn ze materie en geen antimaterie? Waarom is het heelal gemaakt van materie en niet van antimaterie? Het antwoord gaat verder dan kwantumchromodynamica. Een lichte onbalans tussen quarks en antiquarks, als Wilczek en andere theoretici gelijk hebben, was al aanwezig in het primordiale quark-gluon plasma. Om de oorsprong te begrijpen zijn versnellers nodig die zelfs hogere energieën bereiken, zoals CERN ‘ s Large Hadron Collider. Het zal nieuwe soorten theorieën vereisen—waarvan sommige, helaas, zouden kunnen eisen dat we beginnen te denken aan deeltjes als kleine lussen van touw en het universum als veel meer dimensies dan de vier die we kennen en liefhebben.

naarmate de fysica evolueert, kan het beeld van het proton dat de kwantumchromodynamica ons heeft gegeven, geruststellend concreet en vast lijken—hoewel vast is wat een proton niet is. Vliegen in een-als je je kunt voorstellen dat te doen, rijden met de sterke kracht in een soort subnucleaire zweefvliegtuig—zou zijn als vallen door de atmosfeer van de aarde. De bovenste atmosfeer van het proton is een dunne cirrus van virtuele quark-antiquarkparen; ze vormen een schild voor wat eronder ligt. Als je langs hen valt, wordt de atmosfeer dichter en dichter, de wolken dikker en dikker. Uw vliegtuig wordt getroffen met toenemende frequentie en kracht door flitsen van kleur bliksem-de gluonen. En dan, misschien vier vijfde van de weg door je afdaling, kom je uit de bewolking. De rit is nu rustiger. De bliksemschichten zijn niet verdwenen; zij smolten vast aan een vast vel, en hoe dan ook jullie voelen maar meteen vederlicht en immuun van alle krachten. Je bent in de buurt van het centrum van het proton nu, volkomen gevangen als je valt in de richting van de asymptoot van totale vrijheid, en je bent het vinden . . . niet veel.

” hoe beter je kijkt, hoe meer je merkt dat het proton oplost in veel deeltjes, die elk heel, heel weinig energie dragen,” zegt Wilczek. “En de elementen van de realiteit die de hele zaak hebben veroorzaakt, de quarks, zijn deze kleine dingen in het midden van de wolk. In feite, als je de evolutie volgt naar oneindig korte afstanden, gaat de triggerlading naar nul. Als je de vergelijkingen echt bestudeert, wordt het bijna mystiek.”