Dit artikel stond oorspronkelijk op The Conversation.
Als natuurkundige bij de Large Hadron Collider (LHC) in Cern, is een van de meest gestelde vragen die mij worden gesteld: "Wanneer ga je iets vinden?". Ik weersta de verleiding om sarcastisch te antwoorden: "Afgezien van het Higgs-deeltje, dat de Nobelprijs heeft gewonnen, en een hele reeks nieuwe samengestelde deeltjes?", realiseer ik me dat de reden waarom de vraag zo vaak wordt gesteld, te maken heeft met hoe we de vooruitgang in deeltjesfysica naar de wijdere wereld.
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 om onderliggende fysieke processen te bekijken, vaak zonder storende achtergrondgeluiden. Dat maakt het makkelijk om de waarde van de vondst uit te leggen aan het publiek en de politiek.
Onlangs echter dreigden een reeks nauwkeurige metingen van reeds bekende deeltjes en processen die voldoen aan moerassen de natuurkunde door elkaar te schudden. En nu de LHC zich klaarmaakt om met een hogere energie en intensiteit dan ooit tevoren te rennen, is het tijd om de implicaties breed te bespreken.
In werkelijkheid is de deeltjesfysica altijd op twee manieren verlopen, waarvan nieuwe deeltjes er een is. De andere is door zeer nauwkeurige metingen te doen die de voorspellingen van theorieën testen en afwijkingen zoeken van wat wordt verwacht.
Het vroege bewijs voor Einsteins algemene relativiteitstheorie kwam bijvoorbeeld van het ontdekken 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, de kwantummechanica. Deze theorie laat zien dat deeltjes die veel te massief zijn om direct in een laboratoriumbotsing te worden gemaakt, nog steeds kunnen beïnvloeden wat andere deeltjes doen (via iets dat "kwantumfluctuaties" 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 onverklaarde nieuwe fysica die verder gaat dan het standaardmodel, zijn van dit tweede type. Gedetailleerde studies van het LHCb-experiment hebben uitgewezen dat een deeltje dat bekend staat als een beauty-quark (quarks vormen de protonen en neutronen in de atoomkern) "vervalt" (uit elkaar valt) in een elektron veel vaker dan in een muon – het zwaardere, maar verder identiek, broer of zus. Volgens het standaardmodel zou dit niet mogen gebeuren – een aanwijzing dat nieuwe deeltjes of zelfs natuurkrachten het proces kunnen beïnvloeden.
Het is echter intrigerend dat metingen van vergelijkbare processen met "top-quarks" uit het ATLAS-experiment bij de LHC laten zien dat dit verval met gelijke snelheden plaatsvindt voor elektronen en muonen.
Ondertussen heeft het Muon g-2-experiment in Fermilab in de VS onlangs zeer nauwkeurige studies gedaan naar hoe muonen "wiebelen" terwijl hun "spin" (een kwantumeigenschap) interageert met omringende magnetische velden. Het vond een kleine maar significante afwijking van sommige theoretische voorspellingen, wat opnieuw suggereert dat 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 genaamd, dat de zwakke kernkracht draagt die radioactief verval regelt. Na vele jaren van gegevensverzameling en analyse, suggereert het experiment, ook bij Fermilab, dat het aanzienlijk zwaarder is dan de theorie voorspelt – met een afwijking die niet toevallig zou gebeuren in meer dan een miljoen miljoen experimenten. Nogmaals, het kan zijn dat nog onontdekte deeltjes zijn massa vergroten.
Interessant is echter dat dit ook niet in overeenstemming is met enkele metingen met een lagere precisie van de LHC (gepresenteerd in deze studie en deze).
Het vonnis
Hoewel we er niet absoluut zeker van zijn dat deze effecten een nieuwe verklaring vereisen, lijkt het bewijs te groeien dat er nieuwe fysica nodig is.
Natuurlijk zullen er bijna net zoveel 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 zijn dan we dachten, waarbij elk deeltje een "superpartner" heeft. Hierbij kunnen extra Higgs-bosonen betrokken zijn (geassocieerd met het veld dat fundamentele deeltjes hun massa geeft).
Anderen gaan verder en beroepen zich op minder recent modieuze ideeën zoals "technicolor", wat zou impliceren dat er extra natuurkrachten zijn (naast de zwaartekracht, elektromagnetisme en de zwakke en sterke kernkrachten), en zou kunnen betekenen dat het Higgs-deeltje is in feite een samengesteld object gemaakt van andere deeltjes. Alleen experimenten zullen de waarheid onthullen – wat goed nieuws is voor experimentatoren.
De experimentele teams achter de nieuwe bevindingen worden allemaal gerespecteerd en hebben lange tijd aan de problemen gewerkt. Dat gezegd hebbende, het is geen gebrek aan respect voor hen om op te merken dat deze metingen buitengewoon moeilijk te maken zijn. Bovendien vereisen voorspellingen van het standaardmodel meestal berekeningen waarbij benaderingen moeten worden gemaakt. Dit betekent dat verschillende theoretici enigszins verschillende massa's en vervalsnelheden kunnen voorspellen, afhankelijk van de veronderstellingen en het gemaakte benaderingsniveau. Het kan dus zijn dat wanneer we nauwkeurigere berekeningen doen, sommige van de nieuwe bevindingen passen in het standaardmodel.
Evenzo kan het zijn dat de onderzoekers subtiel verschillende interpretaties gebruiken en zo inconsistente resultaten vinden. Om twee experimentele resultaten te vergelijken, moet zorgvuldig worden gecontroleerd 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 optreden die ze onder- of overschatten.
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 ze moeten allemaal worden verkend.
Met de herstart van de LHC zijn er nog steeds vooruitzichten dat nieuwe deeltjes worden gemaakt door zeldzamere processen of verborgen worden onder achtergronden die we nog moeten opgraven.
Roger Jones is hoogleraar natuurkunde en afdelingshoofd aan de Lancaster University. Hij ontvangt financiering van STFC en is lid van de ATLAS-samenwerking.
Het bericht Het standaardmodel van deeltjesfysica kan worden verbroken verscheen eerst op Popular Science.
