“Hoe worden materie en energie gedistribueerd?” vroeg Peter Schweitzer, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Connecticut. “We weten het niet.”
Schweitzer bracht het grootste deel van zijn carrière door met nadenken over de zwaartekrachtkant van protonen. Specifiek is hij geïnteresseerd in een matrix van protoneigenschappen die de energie-momentumtensor wordt genoemd. “De energie-impulstensor weet alles wat er te weten valt over een deeltje”, zei hij.
In de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, waarin de zwaartekracht objecten vertegenwoordigt die krommen in de ruimtetijd volgen, vertelt de energie-impulstensor de ruimtetijd hoe deze moet buigen. Het beschrijft bijvoorbeeld de verdeling van energie (of, gelijkwaardig, massa) – de bron van het leeuwendeel van de ruimte-tijd kromtrekkingen. Het houdt ook informatie bij over hoe het momentum wordt verdeeld, en waar compressie of expansie zal plaatsvinden, wat ook de ruimtetijd enigszins kan vervormen.
Als we de vorm van de ruimtetijd rond het proton zouden kunnen leren, wat Russische en Amerikaanse natuurkundigen in de jaren zestig onafhankelijk van elkaar hebben gedaan, zouden we alle eigenschappen kunnen afleiden die zijn geïndexeerd in zijn energie-momentumtensor. Deze omvatten de massa en spin van het proton, die al bekend zijn, samen met de verdeling van de protondruk en -krachten, een collectieve eigenschap die natuurkundigen de ‘Druck-term’ noemen, naar het Duitse woord voor druk. Deze term is “net zo belangrijk als massa en spin, en niemand weet wat het is”, zei Schweitzer – hoewel dat begint te veranderen.
In de jaren zestig leek het alsof het meten van de energie- en momentumtensoren en het berekenen van de Druck-term een zwaartekrachtversie van het gebruikelijke verstrooiingsexperiment zou vereisen: schiet een massief deeltje op een proton en laat de twee een graviton uitwisselen – een hypothetisch deeltje dat zwaartekrachtgolven – in plaats van een foton. Maar vanwege de extreme zwakte van de zwaartekracht verwachten natuurkundigen dat gravitonen 39 ordes van grootte minder vaak verstrooien dan fotonen. Experimenten kunnen onmogelijk zo’n zwak effect detecteren.
“Ik herinner me dat ik hierover las toen ik student was”, zegt Volker Burkert, lid van het Jefferson Lab-team. De conclusie was dat “we waarschijnlijk nooit iets zullen kunnen leren over de mechanische eigenschappen van deeltjes”.
Zwaartekracht zonder zwaartekracht
Zwaartekrachtexperimenten zijn vandaag de dag nog steeds ondenkbaar. Maar onderzoek eind jaren negentig en begin jaren 2000 door natuurkundigen Xiangdong Ji en, afzonderlijk van elkaar werkend, wijlen Maxim Polyakov, ontdekte een oplossing.
Het algemene schema is als volgt. Wanneer je een elektron lichtjes op een proton afvuurt, levert het meestal een foton af aan een van de quarks en kijkt het weg. Maar bij minder dan één op de miljard gebeurtenissen gebeurt er iets bijzonders. Een inkomend elektron zendt een foton uit. De quark absorbeert het en zendt na de hartslag een tweede foton uit. Het belangrijkste verschil is dat bij deze zeldzame gebeurtenis twee fotonen betrokken zijn in plaats van één – zowel inkomende als uitgaande fotonen. De berekeningen van Ji en Polyakov lieten zien dat als de onderzoekers het resulterende elektron, proton en foton konden verzamelen, ze uit de energieën en het momentum van deze deeltjes konden afleiden wat er met de twee fotonen gebeurde. En dat experiment met twee fotonen zou in wezen net zo informatief zijn als het onmogelijke gravitonverstrooiingsexperiment.