Twee deeltjes botsen

Obees deeltje stelt natuurkunde op de proef

Een elementair deeltje genaamd W is zwaarder gebleken dan het zou moeten zijn. En nu klopt het natuurkundige model van de materie van het heelal niet meer. Als de metingen standhouden, kan er een tot nu toe onbekend deeltje in het spel zijn – wat donkere materie zou kunnen verklaren.

Een elementair deeltje genaamd W is zwaarder gebleken dan het zou moeten zijn. En nu klopt het natuurkundige model van de materie van het heelal niet meer. Als de metingen standhouden, kan er een tot nu toe onbekend deeltje in het spel zijn – wat donkere materie zou kunnen verklaren.

Shutterstock

Natuurkundigen hebben een vrij goed idee waar alles uit bestaat. Ze hebben alle fundamentele elementaire deeltjes waaruit alle materie is opgebouwd gemeten en gewogen, en ze hebben inzicht in de krachten waarmee materiedeeltjes op elkaar inwerken.

Maar de resultaten van een zeer ingewikkeld, grondig en langdurig experiment tonen nu aan dat er grenzen zijn aan het begrip dat wetenschappers hebben van de wereld om ons heen. Een elementair deeltje, W-deeltje of W-boson genoemd, is zwaarder dan het zou moeten zijn volgens het zogeheten standaardmodel.

Het W-deeltje is de bron van de zwakke kernkracht en is betrokken bij bepaalde vormen van radioactief verval, en met het standaardmodel kunnen natuurkundigen uitrekenen wat zijn massa moet zijn. Maar volgens de nieuwe resultaten, gepubliceerd in het gerespecteerde wetenschappelijke tijdschrift Science, is de massa 0,1 procent groter dan berekend.

Resultaat zat er 20 jaar aan te komen

CDF-detector

Fysikerne har brugt Fermilabs Tevatron-accelerator til at producere fire millioner W-partikler i den store CDF-detektor.

© Fermilab

Het W-deeltje is vrij zwaar voor een elementair deeltje, en weegt ongeveer evenveel als vijf zuurstofatomen. Maar het is instabiel en vervalt zeer snel tot andere deeltjes, waardoor het bijna niet te wegen is. Er is een grote versneller nodig om het deeltje te produceren, en dan een zeer gevoelige detector om te meten dat het er geweest is.

Het experiment werd tussen 2002 en 2011 uitgevoerd met de enorme deeltjesversneller Tevatron in het Amerikaanse onderzoekscentrum Fermilab, en bijna 400 natuurkundigen deden er meer dan 10 jaar over om de schat aan gegevens te analyseren die door de CDF (Collider Detector at Fermilab) verzameld werden.

Natuurkundigen doen experimenten om te testen of hun theorieën juist zijn. Als het resultaat van het experiment niet overeenkomt met de theoretische voorspellingen, is er iets mis – hetzij met de theorie, hetzij met het experiment.

En hier duidt het resultaat erop dat de beste natuurkundetheorie niet goed genoeg is. Het is alsof natuurkundigen de legpuzzel van de elementaire deeltjes van de natuur proberen te maken, en net als ze het laatste stukje willen leggen, blijkt het te groot te zijn.

Grafiek W-boson

De metingen wijzen uit dat het W-deeltje iets meer massa heeft dan volgens de theorie zou moeten. Als het natuurkundemodel klopt, zouden de metingen op de paarse lijn liggen, maar ze liggen in de rode cirkel.

Nieuw deeltje kan donkere materie verklaren

Iets klopt er niet, dus moet de puzzel op een nieuwe manier in elkaar gezet worden – misschien met behulp van een nieuw deeltje of een nieuwe natuurkracht.

Dit kan leiden tot een nieuwe natuurkunde, die niet alleen het obese W-deeltje kan verklaren, maar kan vertellen waar donkere materie uit bestaat. Astronomen hebben ontdekt dat de meeste materie in het heelal onzichtbaar is, en misschien bestaat deze mysterieuze donkere materie uit hetzelfde deeltje dat op de een of andere manier het W-deeltje extra massa geeft.

Maar het is ook mogelijk dat de natuurkundigen gewoon een fout hebben gemaakt toen ze de massa van W berekenden uit de gegevens. Misschien weegt het helemaal niet te veel.

Andere wetenschappers moeten de resultaten nog bevestigen, en er zijn al plannen om het experiment te herhalen met nieuwe en nog preciezere apparatuur. Met name een toekomstige Europese versneller, de Future Circular Collider genaamd, zal daar zeer geschikt voor zijn.