Woensdag 06/07/2022

AchtergrondNatuurkunde

Plots moet de succesvolste theorie uit de natuurkunde op de schop, en moeten fysici op zoek naar iets nieuws

De deeltjesversneller in Genève. Beeld ANP / AFP
De deeltjesversneller in Genève.Beeld ANP / AFP

Het is de succesvolste theorie uit de natuurkunde, maar na vijftig jaar moet het Standaard Model op de schop. Fysici weten nog niet hoe. ‘Alsof we een misdaad moeten oplossen waarbij het moordwapen ontbreekt.’

Joep Engels

Het zijn spannende tijden, zegt Sijbrand de Jong. Een halve eeuw lang leek zijn tak van de fysica niet veel meer dan een invuloefening, vertelt de hoogleraar experimentele natuurkunde van de Radboud Universiteit in Nijmegen. “Eind jaren zestig is de theorie, het zogeheten Standaard Model, in de steigers gezet. Theoretici voorspelden het bestaan van nieuwe deeltjes en wij mochten dat bevestigen. Dat is nu anders. We weten dat het Model wringt, maar we hebben geen idee waar we het antwoord moeten zoeken. We tasten volledig in het duister. Nu wordt de fysica weer leuk.”

Daar zag het tien jaar geleden niet naar uit. Toen bereikte de moderne natuurkunde een nieuwe mijlpaal. Met een triomfantelijk ‘We hebben hem’ maakten onderzoekers van de deeltjesversneller in Genève op 4 juli 2012 bekend dat ze het illustere Higgs-deeltje hadden gevonden. De vondst maakte het Standaard Model compleet. Het Higgs-deeltje paste er perfect in, zegt De Jong. “Het zag er precies uit zoals verwacht. De eigenschappen stemden overeen met de voorspellingen en het deed wat het moest doen: de andere deeltjes de juiste massa geven.”

Nou ja, één dingetje dan. Het Higgs-deeltje is te licht. “Bij deze massa is het vacuüm, de lege ruimte, niet echt stabiel. Volgens de theorie van het Standaard Model had het heelal kunnen imploderen en waren we allang ten onder gegaan. Aangezien iedereen kan constateren dat dat niet is gebeurd, zou het goed kunnen dat de theorie niet deugt.”

Balletje op een heuvel

Zo extreem zou Eric Laenen, hoogleraar theoretische deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam, het niet formuleren. Het heelal lijkt bij deze Higgs-massa in een soort metastabiel minimum te liggen. Als een balletje dat bovenop een heuvel ligt, maar dan wel in een kuiltje: een klein zetje en het balletje rolt alsnog de heuvel af. Laenen: “De theorie zegt dat het heelal vroeg of laat een keer ineenklapt. Maar berekeningen leren dat het pas over vele miljoenen keren de levensduur van het heelal zover is.”

Het is meer een filosofische kwestie, vindt hij. Zo zijn er meer grote vragen waar het Standaard Model geen antwoord op heeft. Over de aard van de donkere materie bijvoorbeeld waar volgens sterrenkundigen het grootste deel van de massa in de ruimte uit bestaat. Of waarom er (bijna) alleen maar materie is en geen antimaterie terwijl het Model een gelijke verdeling voorstaat.

De vragen geven aan dat de theorie niet compleet is, maar in hun dagelijkse praktijk schuiven fysici ze terzijde. Ze bieden geen aanknopingspunten om te onderzoeken waar het dan wringt. Intussen werkt het Standaard Model uitstekend. Laenen: “Er is in de natuurkunde geen andere theorie die zo exact voorspelt hoe processen verlopen of wat de eigenschappen van deeltjes zijn.”

In die perfectie zijn het afgelopen jaar barstjes verschenen. Nieuwe experimenten, of beter gezegd, nieuwe analyses van experimentele data wijken af van de voorspellingen van het Model (zie kader). Het zijn minieme verschillen, veelal minder dan een promille, maar doordat de theorie zulke exacte voorspellingen geeft, hebben de afwijkingen al een paar keer aanleiding gegeven om eens flink de trom te roeren. ‘Het Standaard Model moet op de schop’, klonk het telkens. Want, in tegenstelling tot die eerder genoemde vragen, zijn deze afwijkingen wel toetsbaar en bieden ze de mogelijkheid om een nieuwe theorie op te grondvesten.

Open plekken

Heel verrassend is die ontwikkeling niet, zegt Sijbrand de Jong. “Er zaten nog open plekken in het Model. Van sommige deeltjes wisten we het bestaan wel, maar hun eigenschappen moesten we uit de theorie afleiden. In die berekening zaten wat vrijheidsgraden en die boden de mogelijkheid om het geheel sluitend te maken. Nu we alle deeltjes kennen, is die vrijheid beperkt en kunnen we onderzoeken of de metingen onderling corresponderen. En dat lijkt hier en daar niet het geval te zijn.”

De meest recent gemelde afwijking betreft de massa van het zogeheten W-boson, het deeltje dat zorgdraagt voor de zwakke kernkracht, een van de vier fundamentele natuurkrachten die in de kern van atomen een rol speelt. Onderzoekers die werken bij de Tevatron deeltjesversneller bij Chicago – de versneller werd in 2011 stilgelegd – schreven vorige maand in het vakblad Science dat ze oude data met nieuwe technieken hadden geanalyseerd. Daaruit bleek dat het W-boson een stuk zwaarder was dan gedacht, maar liefst 0,09 procent meer dan de theoretische waarde. Dat lijkt niks, maar het is zeven keer zoveel als de standaarddeviatie, zeg maar de bandbreedte van de meting.

De Jong is nog niet overtuigd dat dit de sleutel wordt waarmee het Standaard Model kan worden opengebroken. Vooral omdat alle andere metingen van de W-massa wel in de buurt zaten van de theoretische waarde. Het doet hem denken aan de automobilist die via de radio wordt gewaarschuwd voor een spookrijder: “Eén spookrijder? Ik zie tientallen spookrijders!”

Dat is Martijn Mulders, een deeltjesfysicus die werkt op het versnellerinstituut Cern in Genève, niet met hem eens. “Een spookrijder? Deze heeft wel gps aan boord. De mensen van Chicago weten heel goed welke kant ze opgaan. Ik ga ervan uit dat ze goed werk hebben geleverd en dan kan ik niet anders dan concluderen dat ze de meest exacte massabepaling hebben gedaan. Het is daarom superverrassend dat juist deze zo afwijkt van de rest.”

Toeval

Mulders benadrukt dat het resultaat nog wel door andere groepen moet worden bevestigd. Eén meting telt in de fysica nog niet. Met name naar de resultaten van het zogeheten CMS-experiment uit Genève, die in 2023 worden verwacht, wordt reikhalzend uitgekeken. De Jong zet er zijn geld nog niet op in. “In dit soort onderzoek speelt toeval een rol. Aangezien talloze groepen zoeken naar barstjes in het systeem is de kans reëel dat iemand per ongeluk raak lijkt te schieten.” Maar, zo geeft hij toe, het W-boson is wel een geval apart. “Het is sterk gelinkt met het Higgs-boson en het top-quark. Die drie zware deeltjes vormen de kern van het Model. Dus áls er een plek is in het Model waar de problemen kunnen opduiken, dan is het in het complex van die drie.”

Stel dat de afwijkingen in nieuwe studies worden bevestigd en de fysica moet accepteren dat het Standaard Model hier tekortschiet, wat dan? Dan hebben we een los draadje te pakken, maar hoe trek je daar aan?

Dat kan op twee manieren, zegt Mulders. Volgens de quantumtheorie, die aan het Standaard Model ten grondslag ligt, kunnen in deze microwereld voortdurend deeltjes uit het niets opploppen, waarna ze even hun invloed doen gelden en weer verdwijnen. De theorie schrijft voor dat je al die invloeden in je berekeningen moet meenemen, maar in de praktijk nemen fysici alleen de meest waarschijnlijke mee. Mulders: “Je kunt dus je berekening uitbreiden en extra factoren meenemen.”

Optie twee: introduceer nieuwe deeltjes. “Dat klinkt als sciencefiction”, zegt Mulders, “maar het is eerder vertoond. Toen we in de jaren negentig de massa van het W-boson preciezer hadden gemeten, konden we de massa van het topquark voorspellen. Ook al hadden we dat topquark nog nooit waargenomen. Op een vergelijkbare manier wisten we al hoe zwaar het Higgs-deeltje ongeveer zou moeten zijn, voordat we het hadden ontdekt.”

Er is één verschil: het Higgs-deeltje en het topquark stonden al ingetekend in het Standaard Model, nu tasten fysici volledig in het duister. Het wordt het betere speurwerk, erkent theoreticus Eric Laenen. “We moeten het doen met indirecte bewijzen. Alsof we een misdaad moeten oplossen terwijl het moordwapen ontbreekt.”

Hermetisch

En zo eenvoudig is het niet om een nieuw deeltje te introduceren. Het Standaard Model zit hermetisch in elkaar. Alle posities zijn bezet. Dat breid je niet zomaar uit. De onderzoekers uit Chicago suggereren in hun artikel over het W-boson een oude bekende: supersymmetrie. Het Model kent deeltjes die materie zijn, zoals quarks en elektronen, en deeltjes die kracht zijn, zoals fotonen. Bij supersymmetrie krijgt elk deeltje een spiegelbeeld uit de andere wereld.

Die theorie is lange tijd populair geweest, zegt Laenen. “Esthetisch was het heel mooi en de theorie had voldoende flexibiliteit om problemen aan te pakken.” Maar de praktijk viel tegen. Zodra fysici het algemene concept gingen uitwerken, werd het minder fraai, zegt hij. “Veel fysici hebben een koffiemok waarop de formule van het Standaard Model staat. Om iets vergelijkbaars met supersymmetrie te doen, zou je een emmer nodig hebben.”

De Jong gelooft er helemaal niet meer in. “Supersymmetrie voorspelt het bestaan van nieuwe deeltjes. Nou, we hebben ons de afgelopen jaren suf gezocht naar die deeltjes. Helemaal niks gevonden. Theoretici zien altijd wel een kiertje waar nog iets te halen zou zijn, maar ik zou zeggen: dat idee kan van tafel.”

Maar wat dan wel? De snaartheorie wordt vaak genoemd, maar de markt van theoretische modellen is nog veel groter, zegt Laenen. Over kanshebbers laat hij zich niet uit. “Ik ben een agnost. Ik speculeer niet, als eenvoudig sterveling luister ik liever naar wat de natuur mij te vertellen heeft.”

Dat wil zeggen: meten, meten en nog eens meten. We moeten heel precies vaststellen hoe groot de afwijkingen zijn, zegt ook Mulders. “Dan weten we ook welke van de huidige bevindingen reëel zijn en welke toch een toevallig effect in de processen waren.”

Laenen vergelijkt de huidige situatie met die van ruim een eeuw geleden. Toen leidden enkele losse draadjes in de klassieke theorie tot geheel nieuwe natuurkunde. “De subtiele vragen van nu zouden weleens de stilte voor een enorme storm in het vak kunnen blijken.”

Het Standaard Model

Het Standaard Model verenigt de bouwstenen van alle materie, zoals quarks, elektronen en neutrino’s, met de krachten die deze bouwstenen op elkaar uitoefenen, zoals de elektromagnetische kracht. Het model beschrijft en voorspelt alle wisselwerkingen tussen atomaire deeltjes. Het Standaard Model dankt zijn stevigheid aan zijn symmetrie; van welke kant je het ook bekijkt, de wiskundige vergelijkingen blijven dezelfde.

Maar er zijn ook problemen. De zwaartekracht past er bijvoorbeeld niet in. Ook mogen de deeltjes in het model geen massa hebben; dan gaat de symmetrie verloren. Maar in onze waarneming hebben deeltjes wél massa. Dat probleem werd opgelost met het Higgs-mechanisme. De ruimte krijgt daardoor een soort stroperigheid wat hetzelfde effect heeft als een trage massa. Dit mechanisme leverde in het Model wel een extra deeltje op: het Higgs-boson. En dat werd, na lang zoeken, ook in de werkelijkheid gevonden.

Kleine verschillen, groot nieuws

Drie analyses van metingen die het Standaard Model in twijfel trokken, haalden het afgelopen jaar het nieuws. Eerst was er het verval van zogeheten B-mesonen. Het Model voorspelt dat deze deeltjes even vaak overgaan in een elektron en een anti-elektron als in een muonpaar (een muon is het zusje van het elektron). Maar bij de versneller in Genève zagen ze een verschil: voor elke 100 elektronparen zagen ze maar 85 muonparen. Een maand later zagen fysici van het Muon g-2 experiment bij Chicago dat het magnetisch moment van muonen net iets groter was dan de theorie voorspelde. Beide bevindingen voldeden echter nog niet aan de gouden standaard in de natuurkunde voor nauwkeurigheid.

Dat gold wel voor de meting van de massa van het W-boson in de Tevatron deeltjesversneller bij Chicago (zie hoofdverhaal). Nu geldt deze meting als ‘lastig’: Het W-boson bestaat maar zeer kort en vervalt onder andere in een neutrino dat ongezien de detector verlaat. Fysici moeten het vervalproces daarom reconstrueren en dat vereist een hoge mate van precisie.

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234