Het standaardmodel van de deeltjesfysica is mogelijk kapot een

Het standaardmodel van de deeltjesfysica is mogelijk kapot – een expert legt uit

De opslag-ring magneet voor het Muon G-2 experiment bij Fermilab. Reidar Hahn/wikipedia, CC BY-SA

Als natuurkundige die werkt bij de Large Hadron Collider (LHC) in Cern, is een van de meest gestelde vragen: “Wanneer ga je iets vinden?”. Ik weersta de verleiding om sarcastisch te antwoorden: “Naast het Higgs boson, dat de Nobelprijs heeft gewonnen, en een hele reeks nieuwe samengestelde deeltjes?”, maar ik realiseer me dat de reden dat deze vraag zo vaak wordt gesteld te maken heeft met de manier waarop we de vooruitgang in de deeltjesfysica aan de buitenwereld hebben afgeschilderd.

We praten vaak over vooruitgang in termen van het ontdekken van nieuwe deeltjes, en vaak is dat ook zo. Het bestuderen van een nieuw, zeer zwaar deeltje helpt ons de onderliggende fysische processen te bekijken – vaak zonder hinderlijke achtergrondruis. Dat maakt het gemakkelijk om de waarde van de ontdekking aan het publiek en politici uit te leggen.

De laatste tijd dreigt echter een reeks nauwkeurige metingen aan reeds bekende, niet-standaard deeltjes en processen de natuurkunde op haar grondvesten te doen schudden. En nu de LHC zich opmaakt om met een hogere energie en intensiteit dan ooit tevoren te gaan werken, is het tijd om de implicaties op grote schaal te gaan bespreken.

In werkelijkheid is de deeltjesfysica altijd op twee manieren te werk gegaan, waarvan nieuwe deeltjes er één is. De andere is door het doen van zeer nauwkeurige metingen die de voorspellingen van theorieën testen en zoeken naar afwijkingen van wat wordt verwacht.

Het vroege bewijs voor Einsteins algemene relativiteitstheorie kwam bijvoorbeeld van de ontdekking van kleine afwijkingen in de schijnbare posities van sterren en van de beweging van Mercurius in zijn baan.

Drie belangrijke bevindingen

Deeltjes gehoorzamen aan een contra-intuïtieve maar enorm succesvolle theorie die quantummechanica heet. Deze theorie toont aan dat deeltjes die veel te massief zijn om rechtstreeks in een laboratoriumbotsing te worden gemaakt, toch invloed kunnen uitoefenen op wat andere deeltjes doen (via iets dat “quantumfluctuaties” wordt genoemd). Metingen van dergelijke effecten zijn echter zeer complex, en veel moeilijker uit te leggen aan het publiek.

Maar recente resultaten die duiden op onverklaarbare nieuwe fysica buiten het standaardmodel zijn van dit tweede type. Uit gedetailleerde studies van het LHCb-experiment is gebleken dat een deeltje dat bekend staat als een schoonheidsquark (quarks vormen de protonen en neutronen in de atoomkern) veel vaker “vervalt” (uit elkaar valt) tot een elektron dan tot een muon – het zwaardere, maar verder identieke broertje of zusje van het elektron. Volgens het standaardmodel zou dit niet mogen gebeuren – wat erop wijst dat nieuwe deeltjes of zelfs natuurkrachten het proces kunnen beïnvloeden.

Beeld van het LHCb-experiment.

LHCb experiment.
Cern

Intrigerend is echter dat metingen van soortgelijke processen met “top quarks” door het ATLAS-experiment bij de LHC aantonen dat dit verval met gelijke snelheid plaatsvindt voor elektronen en muonen.

Ondertussen heeft het Muon g-2 experiment bij Fermilab in de VS onlangs zeer nauwkeurige studies gemaakt van hoe muonen “wiebelen” als hun “spin” (een kwantumeigenschap) interageert met omringende magnetische velden. Het experiment vond een kleine maar significante afwijking van sommige theoretische voorspellingen – opnieuw een aanwijzing dat er onbekende krachten of deeltjes aan het werk kunnen zijn.

Het laatste verrassende resultaat is een meting van de massa van een fundamenteel deeltje, het W-boson, dat de zwakke kernkracht draagt die radioactief verval beheerst. Na vele jaren van gegevensverzameling en analyse suggereert het experiment, ook in Fermilab, dat het aanzienlijk zwaarder is dan de theorie voorspelt – afwijkend met een hoeveelheid die niet toevallig zou gebeuren in meer dan een miljoen miljoen experimenten. Ook hier is het mogelijk dat nog niet ontdekte deeltjes aan zijn massa bijdragen.

Interessant genoeg is dit echter ook niet in overeenstemming met enkele metingen van de LHC met een lagere precisie (gepresenteerd in deze studie en deze).

Het verdict

Hoewel wij er niet absoluut zeker van zijn dat deze effecten een nieuwe verklaring vereisen, lijkt het bewijs te groeien dat er een nieuwe fysica nodig is.

Natuurlijk zullen er bijna evenveel nieuwe mechanismen worden voorgesteld om deze waarnemingen te verklaren als er theoretici zijn. Velen zullen kijken naar verschillende vormen van “supersymmetrie”. Dit is het idee dat er twee keer zoveel fundamentele deeltjes in het standaardmodel zitten dan we dachten, waarbij elk deeltje een “superpartner” heeft. Het kan gaan om extra Higgs-bosonen (verbonden met het veld dat de fundamentele deeltjes hun massa geeft).

Anderen zullen nog verder gaan en minder recent in de mode geraakte ideeën aanvoeren zoals “technicolor”, wat zou impliceren dat er bijkomende natuurkrachten zijn (naast de zwaartekracht, het elektromagnetisme en de zwakke en sterke kernkrachten), en zou kunnen betekenen dat het Higgs-boson in feite een samengesteld object is dat uit andere deeltjes is samengesteld. Alleen experimenten zullen de waarheid in deze zaak aan het licht brengen – en dat is goed nieuws voor de experimentalisten.

De experimentele teams achter de nieuwe bevindingen zijn allemaal goed gerespecteerd en hebben lang aan de problemen gewerkt. Dat gezegd hebbende, is het geen gebrek aan respect voor hen om op te merken dat deze metingen uiterst moeilijk te doen zijn. Bovendien zijn voor voorspellingen van het standaardmodel gewoonlijk berekeningen nodig waarbij benaderingen moeten worden gemaakt. Dit betekent dat verschillende theoretici enigszins verschillende massa’s en vervalpercentages kunnen voorspellen, afhankelijk van de aannames en de mate van benadering. Het kan dus zijn dat wanneer we nauwkeuriger berekeningen maken, sommige van de nieuwe bevindingen zullen passen in het standaardmodel.

Het kan ook zijn dat de onderzoekers subtiel verschillende interpretaties gebruiken en zo inconsistente resultaten vinden. Bij het vergelijken van twee experimentele resultaten moet zorgvuldig worden nagegaan of in beide gevallen hetzelfde benaderingsniveau is gebruikt.

Dit zijn beide voorbeelden van bronnen van “systematische onzekerheid”, en hoewel alle betrokkenen hun best doen om ze te kwantificeren, kunnen er onvoorziene complicaties zijn waardoor ze worden onderschat of overschat.

Dit alles maakt de huidige resultaten niet minder interessant of belangrijk. Wat de resultaten illustreren is dat er meerdere wegen zijn naar een dieper begrip van de nieuwe fysica, en die moeten allemaal worden verkend.

Met de herstart van de LHC zijn er nog steeds vooruitzichten dat nieuwe deeltjes worden gemaakt door zeldzamere processen of worden gevonden verborgen onder achtergronden die we nog moeten blootleggen.

The Conversation

Roger Jones wordt gefinancierd door STFC. Ik ben lid van de ATLAS Collaboration

Ubergeek Loves Coolblue

Zou je na het lezen van deze artikel een product willen aanschaffen?
Bezoek dan Coolblue en ontdek hun uitgebreide assortiment.