Nieuws

Natuurkundigen plaatsen potentiële bom onder ons begrip van de werkelijkheid

Het zogeheten ‘W-boson’ blijkt zwaarder dan voorspeld, zo melden vierhonderd fysici donderdag na een onderzoek dat tien jaar heeft geduurd. Als de ultranauwkeurige meting klopt, zet die volgens experts ons begrip van de werkelijkheid op zijn kop.

George van Hal
Het CDF-experiment bij Fermilab; bij extreem nauwkeurige metingen is daar ontdekt dat het zogeheten W-boson, een van de elementaire deeltjes, weleens veel zwaarder zou kunnen zijn dan tot nog toe voor mogelijk werd gehouden. Dit kan grote gevolgen hebben voor ons begrip van de natuur. Beeld Fermilab
Het CDF-experiment bij Fermilab; bij extreem nauwkeurige metingen is daar ontdekt dat het zogeheten W-boson, een van de elementaire deeltjes, weleens veel zwaarder zou kunnen zijn dan tot nog toe voor mogelijk werd gehouden. Dit kan grote gevolgen hebben voor ons begrip van de natuur.Beeld Fermilab

Snappen we dan toch minder van de werkelijkheid dan gedacht? Fysici hebben tussen de brokstukken van deeltjes die op elkaar botsten in het het Amerikaanse deeltjesexperiment CDF aan Fermilab, vlak bij Chicago, gezocht naar gegevens die de massa onthullen van het zogeheten W-boson. Hun conclusie? Het deeltje is zwaarder dan onze beste huidige natuurwetten toelaten, zo schrijven ze donderdag in het vakblad Science.

Vergelijk het met biologen die melden dat ze een mens van 3 meter hebben gezien. Het is een vondst die direct al je kennis over ‘hoe het hoort’ op losse schroeven zet. In dit geval plaatst de meting een bom onder het standaardmodel van de deeltjesfysica, de wiskundige beschrijving van alle bekende deeltjes en de fundamentele natuurkrachten die op die deeltjes werken.

Zet dat model op losse schroeven, en de gevolgen zijn in potentie reusachtig. Plots zou de natuur nieuwe deeltjes of nog onbekende krachten kunnen bevatten die ons kunnen helpen de grootste resterende raadsels in de natuurkunde op te lossen, zoals de vraag hoe de zwaartekracht eigenlijk werkt.

Extreem nauwkeurig

De reden dat de nieuwe meting veel stof doet opwaaien, is de nauwkeurigheid. ‘Die is echt indrukwekkend’, zegt deeltjesfysicus Freya Blekman van het Duits nationaal laboratorium voor hoge-energiefysica DESY. De onderzoekers melden dat de kans dat de afwijking van het standaardmodel niets meer is dan een statistische luchtspiegeling slechts 3 op een biljoen is – een zekerheid van 7 sigma, in vakjargon. Dat is nóg overtuigender dan de statistische horde die fysici namen toen ze de ontdekking van het higgsdeeltje meldden, het deeltje dat alle andere deeltjes massa geeft.

Er is ook een belangrijk verschil: waar dat deeltje tegelijk door twee experimenten werd gevonden, wijkt het nieuwe resultaat juist af van andere metingen bij onder meer het Cern in Genève. ‘Dat is hier het steentje in de schoen’, zegt deeltjesfysicus Sijbrand de Jong (Radboud Universiteit). ‘Er is geen reden waarom hetzelfde deeltje in het ene experiment een andere massa zou hebben dan in het andere.’

Is er dan toch een foutje geslopen in de nieuwe analyse? ‘Dat ligt niet voor de hand’, zegt Blekman. ‘Maar je weet het nooit zeker’. Vandaar dat men nu eerst wacht op een onafhankelijke bevestiging van het resultaat. ‘We moeten echt meer dan één meting hebben voor we grote conclusies gaan trekken’, zegt Paul de Jong van Nikhef.

‘Bij het CMS-experiment zijn we al bezig’, zegt Blekman, en ook De Jong kijkt uit naar dat resultaat. ‘Als zij straks hetzelfde zien, begin ik het te geloven’, zegt hij.

De Jong is op zijn beurt het meest benieuwd naar de resultaten van het experiment D0, aan dezelfde versneller in Fermilab, die overigens al sinds 2012 stil ligt. ‘Dat het tien jaar heeft geduurd voordat het CDF-experiment dit resultaat uit die gegevens heeft gehaald, laat zien hoe moeilijk de analyse is. En bij D0 is men dus nog bezig.’

Als het resultaat overeind blijft, betekent de gemeten afwijking waarschijnlijk dat het W-boson de invloed voelt van nog onbekende deeltjes of krachten. ‘Supersymmetrie is dan een logische verklaring’, zegt hij, doelend op het onder fysici al decennia populaire idee dat elk deeltje een nog onontdekt spiegeldeeltje heeft. ‘Dit zou weleens de nagel aan de doodskist van het standaardmodel kunnen zijn.’

Niet de eerste scheur in het standaardmodel

Het is overigens niet de eerste keer dat fysici afwijkingen van het standaardmodel denken te zien. Vorig jaar nog deden metingen rond andere deeltjes, zogeheten muonen, bij zowel Fermilab als Cern-experiment LHCb veel stof opwaaien onder fysici.

‘Die resultaten zijn echt nog een stuk moeilijker te duiden dan deze metingen’, zegt Sijbrand de Jong. Ze waren statistisch minder significant en bevatten op de achtergrond meer theoretische aannamen, vertelt hij.

Wel is het volgens Freya Blekman spannend om te onderzoeken of de afwijking van het W-boson en die van de muonen dezelfde kant op wijzen. ‘Dat weet ik nu nog niet, maar je kunt er zeker van zijn dat de slimste theoretici zich daar de komende tijd op gaan storten’, zegt zij.

‘Dit zag ik totaal niet aankomen’

Dat het CDF-experiment bij Fermilab met dit resultaat naar buiten zou komen, lag niet voor de hand. ‘Ik zag dit echt totaal niet aankomen’, reageert deeltjesfysicus Ivo van Vulpen (Universiteit van Amsterdam). ‘Als het resultaat overeind blijft, is dit van ongelooflijk groot belang voor de deeltjesfysica’, zegt hij.

‘Je denkt vooraf dat zo’n resultaat in lijn zal zijn met de metingen van bijvoorbeeld het Atlas-experiment hier op Cern’, zegt Freya Blekman aan de telefoon vanuit Genève. ‘Maar dit is natuurlijk véél spannender’, zegt ze, omdat het afwijkt van het standaardmodel.

Het was al wel bekend dat de twee deeltjesexperimenten bij Fermilab - CDF en D0 - afwijkingen zagen van de W-boson-massa ten opzichte van het standaardmodel, zegt Tristan Du Pree. Twee experimenten verbonden aan de deeltjesversneller van Cern in Genève zagen zoiets bij recentere analyses echter niet. ‘We dachten daarom: ‘blijkbaar was er toch niets aan de hand’’, zegt Du Pree. ‘Nu CDF met deze claim komt, ligt alles echter weer open.’

Ook Paul de Jong (Nikhef) roemt het resultaat. ‘Het is een zeer indrukwekkende analyse met een totaal verrassende uitkomst. Ik vind het moedig dat ze na al die jaren analyse hiermee naar buiten durven komen’, zegt hij.

Fysici vermoeden al langer dat er ‘iets’ niet klopt met het standaardmodel. Zo bevat het model alle fundamentele natuurkrachten behalve de zwaartekracht, die er met geen mogelijkheid in lijkt te passen. Ook biedt het model bijvoorbeeld geen verklaring waarom sterrenstelsels zo snel draaien als ze doen. Wetenschappers kunnen dat alleen verklaren als er een raadselachtig, onzichtbaar spul in het heelal aanwezig is dat ze donkere materie noemen.

‘In het artikel speculeert men zelfs hardop dat ze hiermee die donkere materie kunnen verklaren’, zegt Sijbrand de Jong. ‘Dat kun je inderdaad niet uitsluiten, maar die conclusie lijkt me nu op zijn minst een beetje voorbarig.’

Meer over