In Zwitserland zijn 100 meter onder de grond mysterieuze krachten aan het werk: wetenschappers van het Europese instituut voor kernonderzoek (CERN) zien dat hun resultaten afwijken van de fundamentele natuurkundetheorieën.
Al 14 jaar laten de wetenschappers deeltjes botsen in de LHC, een 27 kilometer lange versneller, waarna ze de energierijke producten bestuderen. De experimenten bevestigen in grote lijnen wat we weten over de samenstelling van het heelal en over de natuurkrachten die alles aansturen. Maar de afgelopen vijf jaar zijn de resultaten in een van de detectoren, de LHCb, zeer verrassend.
De detector heeft een exotisch deeltje gemeten dat zich niet gedraagt zoals het zou moeten wanneer het vervalt tot deeltjes met lagere energie. Er moet dus een onbekende kracht zijn die het proces beïnvloedt – misschien een nieuwe natuurkracht naast de vier die we al kennen.
Een nieuwe natuurkracht zou niet alleen de ontdekking van de eeuw zijn, maar ook nieuwe mogelijkheden openen om de diepste mysteries van het heelal te onderzoeken. Misschien komen we te weten waarom er materie is, wat sterrenstelsels bijeenhoudt en of er verborgen dimensies zijn.
Metingen van de LHCb-detector bij CERN in Zwitserland duiden erop dat onbekende krachten het verval van bepaalde deeltjes beïnvloeden.
1000 natuurkundigen kijken mee
De botsingen in de LHCb-detector worden door wetenschappers wereldwijd gevolgd. Zo’n 1000 natuurkundigen zitten achter hun computer de schat aan gegevens van de experimenten te analyseren – wetend dat ze wetenschapsgeschiedenis kunnen schrijven.
‘De implicaties kunnen enorm zijn – dit kan de eerste stap zijn naar de ontdekking van een nieuwe kracht!’ Dr. Philip Ilten van de universiteit van Cincinnati, deelnemer aan het LHCb-experiment
Een onbekende natuurkracht zal het zogeheten standaardmodel van de natuurkunde, dat alles omvat wat we weten over materie en krachten in het heelal, uitdagen.
Dit model omvat nu vier natuurkrachten: de zwaartekracht, de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht.
Vier krachten verklaren het grootste deel
De vier bekende natuurkrachten kunnen bijna alle verschijnselen verklaren die we om ons heen zien. Ze werken via krachtdragende deeltjes – sommige over grote afstanden in het heelal, andere op korte afstand in atomen.
1. Elektromagnetische kracht geeft licht
De elektromagnetische kracht is verantwoordelijk voor magnetisme en elektriciteit, en voor alle verschijnselen die met licht en andere elektromagnetische straling te maken hebben. De dragers zijn fotonen.
2. Zwaartekracht regeert het heelal
De zwaartekracht houdt de aarde in zijn baan rond de zon en regelt de beweging van alle sterren en sterrenstelsels. Het is de zwakste van de vier bekende natuurkrachten, en we kennen zijn krachtdeeltje niet.
3. Zwakke kernkrachten beheersen verval
De atoomkernen van radioactieve stoffen vervallen na verloop van tijd tot lagere energieniveaus en zenden dan radioactieve straling uit. De zwakke kernkrachten sturen het verval, met als dragers de deeltjes W en Z.
4. Sterke kernkracht is de lijm van atomen
De protonen en neutronen van atoomkernen zijn opgebouwd uit quarks, en de sterke kernkracht houdt die quarks bijeen. De dragende deeltjes van deze natuurkracht zijn gluonen.
De vier natuurkrachten zijn heel verschillend in bereik en kracht. Hoewel de meesten van ons de zwaartekracht het beste kennen uit ons dagelijks leven, is deze vele malen zwakker dan de andere krachten.
Vergeleken met de op één na zwakste kracht, de zwakke kernkracht, is de zwaartekracht een quintiljoen (een 1 met 30 nullen) keer zo zwak. Waar de andere drie krachten in hoge mate bepalen hoe deeltjes in atomen op elkaar inwerken, is het effect van de zwaartekracht zo gering dat het niet eens gemeten kan worden.
Anderzijds werkt de zwaartekracht over zeer grote afstanden. Terwijl de kernkrachten alleen op atomair niveau effect hebben, is het bereik van de zwaartekracht en de elektromagnetische kracht in principe oneindig.
Als er een vijfde natuurkracht is, weten we niet hoe ver die reikt, maar de LHCb-experimenten duiden erop dat deze in ieder geval een rol speelt in atoomkernen.
Instabiele deeltjes overtreden de wet
Het standaardmodel verdeelt alle deeltjes in twee soorten: krachtdeeltjes, die de natuurkrachten dragen, en materiedeeltjes, die alle materie in het heelal vormen. Tot de laatste behoren bijvoorbeeld elektronen en de zogeheten quarks, die de bouwstenen van atoomkernen zijn.
Quarks zijn er in verschillende soorten. Protonen en neutronen bestaan uit de lichtste soorten, die up- en downquarks genoemd worden.
Het standaardmodel bevat ook vier zwaardere quarks, genaamd strange, charm, bottom en top. Net als de up- en downquarks kunnen ze versmelten tot grotere deeltjes, die we hadronen noemen.
Maar als dit gebeurt, zijn ze erg instabiel. Zo vervalt een hadron dat een bottomquark bevat snel tot een lichter soort hadron. Daarbij verandert de bottomquark in de lichtere quark en komt er tegelijk een elektron of zogeheten muon – het zwaardere neefje van het elektron – vrij.
En die bijproducten van het verval zijn meetbaar met de LHCb.
De 21 meter lange en 5600 ton zware LHCb-detector vangt de elektronen en muonen (rode lijnen) op die ontstaan bij het verval van exotische deeltjes.
Volgens het standaardmodel moet er een zogeheten universaliteit zijn tussen de twee soorten verval. Dit betekent dat de kans dat er een elektron vrijkomt even groot is als de kans dat er een muon vrijkomt.
De detector zou dus een gelijk aantal elektronen en muonen van het verval moeten registreren, maar dit gebeurt niet. Na ruim vijf jaar experimenteren waarin het verval honderden miljarden keren is gemeten, blijft er een verschil bestaan.
Van de 100 gemeten keren is er 54 keer een elektron als bijproduct – en slechts 46 keer een muon. En dat is een klap voor het standaardmodel, dat tot ongekende precisie getest is in duizenden andere experimenten. Als de universaliteit van het model afneemt, moeten er nog onbekende natuurkundige verschijnselen in het spel zijn.
De LHCb-detector meet het verval van deeltjes met bottomquarks (groen). Er moeten evenveel elektronen (blauw) als muonen (rood) overblijven, maar dat is niet het geval. Het verschil kan te wijten zijn aan een onbekende natuurkracht.
Natuurkundigen moeten zeker zijn
Wanneer natuurkundigen een beproefde theorie als het standaardmodel aanvechten, moeten ze natuurlijk absoluut zeker zijn van hun zaak. Ondanks alle gegevens zou het verschil in elektronen en muonen immers statistisch toeval kunnen zijn.
De wetenschappers van de LHCb zijn daarom uiterst voorzichtig en besteden veel tijd aan het berekenen van de kans dat de resultaten niet gewoon aan toeval te wijten zijn.
Om dit te doen gebruiken ze een speciale schaal waarbij de Griekse letter sigma staat voor de kans op toeval. Bij 1 sigma is er een kans van bijna 16 procent dat de waarnemingen aan toeval te wijten zijn.
Natuurkundigen hebben 5 sigma nodig voor ze melding durven te maken van een nieuwe ontdekking. Dit betekent dat de kans op toeval slechts 1 op 3,5 miljoen mag zijn.
De resultaten zijn 99,9 procent zeker – maar dat is niet genoeg!
Met de laatste resultaten van de LHCb is de zekerheid ruim 3 sigma, wat neerkomt op een kans van 0,1 procent dat het gemeten verschil tussen elektronen en muonen aan toeval te wijten is. Met andere woorden, de resultaten zijn 99,9 procent zeker.
Als de metingen de komende jaren hetzelfde verschil blijven vertonen en de onderzoekers hun doel van 5 sigma bereiken, zullen theoretisch natuurkundigen allerlei mogelijke verklaringen aandragen.
De meeste theorieën stellen een nieuwe soort natuurkracht voor, die lijkt op de vier bekende. Als we de logica van het standaardmodel volgen, zal ze werken via een krachtdragend deeltje, en net zoals de andere krachten gedragen worden door fotonen, gluonen of W- en Z-deeltjes.
De hoop is dat de nieuwe natuurkracht zal bijdragen aan oplossingen van de grootste mysteries van het heelal.
Nieuwe kracht lost de diepste mysteries op
Als de natuurkundigen een nieuwe natuurkracht vinden, zullen ze die onmiddellijk gebruiken om antwoorden te zoeken op fundamentele vragen waar de huidige natuurkundetheorieën tekortschieten.
1. Waarom is er iets en niet niets?
Bij de oerknal ontstond er volgens de theorie evenveel materie als antimaterie, terwijl die elkaar in de eerste seconde hadden moeten opheffen. Een nieuwe natuurkracht kan verklaren waarom er wat materie overbleef.
2. Waar houdt donkere materie zich schuil?
De zwaartekracht van de zichtbare materie is niet sterk genoeg om sterrenstelsels bijeen te houden. Er moet donkere materie tussen de sterren werkzaam zijn. Een nieuwe natuurkracht kan de weg ernaartoe wijzen.
3. Zijn er verborgen dimensies?
Volgens sommige natuurkundigen heeft het heelal meer dimensies dan ruimte en tijd. De nieuwe natuurkracht en zijn krachtdragende deeltjes kunnen ons toegang geven tot die verborgen dimensies.
Als het krachtdragende deeltje van de nieuwe natuurkracht een massa heeft als de W- en Z-deeltjes, kan het een van de grootste astrofysische raadsels oplossen: donkere materie.
Zichtbare materie maakt slechts een vijfde van de massa van het heelal uit. De rest is materie die we niet kunnen zien. We weten alleen dat die er is omdat we de effecten van haar zwaartekracht kunnen waarnemen.
Een nieuwe natuurkracht kan fungeren als intermediair tussen de deeltjes in donkere materie en de deeltjes die we kennen van het standaardmodel. En met behulp van de nieuwe natuurkracht kunnen we wellicht zelfs donkere materie in het laboratorium maken.
Verder kan de onbekende kracht deuren openen naar de onzichtbare dimensies die mogelijk in het heelal bestaan. Hierbij kunnen we wellicht een antwoord geven op de vraag waarom de zwaartekracht zo zwak is – misschien verdwijnt die gewoon in de onbekende dimensies.
Japan en de VS gaan aan kop
Wetenschappers van de LHCb leiden nu de jacht op de onbekende natuurkracht. Maar ze kunnen de komende jaren ingehaald worden, want de versneller van CERN ligt dan stil voor een upgrade.
In het Belle II-experiment in Japan zijn natuurkundigen ook begonnen met het meten van het verval van hadronen met bottomquarks, en het is de vraag of ze hetzelfde verschil zullen ontdekken als de onderzoekers van de LHCb.
Bij de versneller van Fermilab in de VS gaan natuurkundigen op een andere manier achter een onbekende natuurkracht aan.
Het experiment kijkt naar muonen, die zich gedragen als magnetische tolletjes. Als muonen aan een magnetisch veld worden blootgesteld, verandert hun draaias, maar 0,1 procent méér dan de theorie voorspelt. Volgens de onderzoekers kan de afwijking te wijten zijn aan de onbekende natuurkracht.
Natuurkundigen van Fermilab in de VS onderzoeken hoe muonen zich gedragen als ze aan een magnetisch veld worden blootgesteld – die lijken beïnvloed te worden door een onbekende kracht.
Het komende decennium zal uitwijzen welk team het eerst de 5 sigma zal bereiken. In 2028 zullen de upgrades bij CERN klaar zijn en kunnen de Europese wetenschappers een sprint inzetten.
Tegen die tijd zullen ze zeker tien keer zo snel resultaten kunnen verzamelen als voorheen. Zo krijgen ze het beste instrument in handen in de zoektocht naar het bewijs van de onbekende natuurkracht.