Wetenschappers hebben tientallen jaren lang geprobeerd de mysteries van het proton te ontrafelen – het kleine deeltje in de kern van elk atoom. Ondanks hun kleine formaat zijn protonen ongelooflijk complex en dynamisch in hun interne structuur, en natuurkundigen blijven eraan werken om ze volledig te begrijpen. Nu heeft een team van onderzoekers een gigantische stap voorwaarts gezet door de meest gedetailleerde kaart tot nu toe te maken van de krachten die in een proton werken.

Om dit te bereiken gebruikte het onderzoeksteam van de Universiteit van Adelaide een krachtige computationele techniek genaamd grid quantum chromodynamics. Directe observatie van de quarks en gluonen waaruit protonen bestaan ​​is een enorme uitdaging. Daarom ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe methode die in wezen ‘ruimte en tijd in een fijn raster opsplitst’, zoals een teamlid het beschreef.

Dankzij dit virtuele raster konden ze zeer complexe vergelijkingen toepassen om de interacties tussen quarks in het proton te simuleren. Na uitgebreid computerwerk leverde de simulatie een ongekende visualisatie van de krachten op.

Het team ontdekte dat deze krachten ongewoon sterk zijn en 500.000 Newton bereiken, zelfs op een schaal die duizenden keren kleiner is dan die van een enkele atoomkern. Om dat in perspectief te plaatsen: dit komt neer op het samenpersen van het gewicht van ongeveer tien olifanten in een bijna oneindig kleine ruimte.

Een promovendus die verantwoordelijk was voor de berekeningen die aan de basis lagen van het onderzoek, merkte op dat deze grafieken een geheel nieuwe manier bieden om de ingewikkelde interne dynamiek van protonen en hun gedrag bij botsingen met hoogenergetische deeltjes te begrijpen.

Dergelijke experimenten met hoge energie vinden plaats in faciliteiten zoals de Large Hadron Collider van CERN, waar meer dan 10.000 wetenschappers protonen tegen elkaar slaan om hun basisstructuur te bestuderen. Een dieper begrip van de interne krachten van het proton zou kunnen helpen bij het verbeteren van theorieën die een van de meest fundamentele bouwstenen van de natuur beschrijven.

De onderzoekers hebben zoveel vertrouwen in de bevindingen dat een teamlid hun werk vergeleek met de baanbrekende onderzoeken van Thomas Edison naar de fundamentele eigenschappen van licht voordat hij de gloeilamp ontwikkelde. Net zoals deze ontdekkingen leidden tot technologieën als lasers en moderne beeldvorming, zou het ontrafelen van de mysteries van het proton de weg kunnen vrijmaken voor toekomstige wetenschappelijke en medische vooruitgang.

Eén gebied dat hier vooral baat bij zou hebben, is protonentherapie voor de behandeling van kanker, waarbij versnelde protonen worden gebruikt om tumoren nauwkeurig te targeten. Een dieper begrip van protonkrachten kan wetenschappers helpen deze levensreddende technologie te optimaliseren en verbeteren.