Nieuw experiment wijst op deeltje dat breekt met natuurwetten

Het muon, het zwaardere neefje van het elektron, blijkt niet in overeenstemming te zijn met het ‘Standaardmodel van de deeltjesfysica’.

Gepubliceerd 13 apr. 2021 12:33 CEST
muon

In de detectorhal wordt de Muon g-2-ring omringd door elektronica. Het experiment, dat plaatsvindt bij een temperatuur van -268 oC, is bedoeld om onderzoek te doen naar de precessie (‘wiebeling’) in de spin van muonen als deze door een magneetveld schieten.

Foto van Reidar Hahn, Fermilab

Dankzij een baanbrekend experiment hebben onderzoekers nieuwe aanwijzingen gevonden voor de mogelijkheid dat het muon, een bekend elementair deeltje, zich niet houdt aan een van de meest strikte theorieën van de natuurwetenschappen, het ‘Standaardmodel van de deeltjesfysica’. De kloof tussen de voorspellingen van dat model en het nu gemeten ‘gedrag’ van het muon wijst erop dat het universum nog andere, niet waargenomen deeltjes kan bevatten die niet in het huidige model passen.

Op een seminar maakten onderzoekers van het Fermilab in Batavia, Illinois, vorige woensdag de eerste resultaten van het zogenaamde ‘Muon g-2’-experiment bekend. Bij dat onderzoek wordt sinds 2018 onderzoek gedaan naar het muon, een zwaarder neefje van het elektron dat in de jaren dertig werd ontdekt.

Net als elektronen hebben muonen een negatieve elektrische lading en een kwantumeigenschap die ‘spin’ wordt genoemd en die het deeltje in een magneetveld een beetje als een wiebelende tol om zijn as doet draaien. Hoe sterker het magneetveld, des te sneller het rondtollende muon ten opzichte van zijn as ‘wiebelt’.

Het ‘Standaardmodel van de deeltjesfysica’ werd in de jaren zeventig ontwikkeld en vormt de beste wiskundige verklaring voor het gedrag van alle elementaire deeltjes in het universum. Het model voorspelt ook met grote precisie de spin en de precessie (‘wiebeling’) van het muon. Maar in 2001 ontdekten onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, dat muonen iets sneller leken te wiebelen dan het Standaardmodel voorspelt.

Twee decennia later is het onderzoek van Brookhaven nog eens overgedaan in het Muon g-2-experiment van het Fermilab – met hetzelfde vreemde resultaat. Toen de onderzoekers de gegevens van beide experimenten naast elkaar legden, zagen ze dat de kans dat deze afwijking het gevolg is van toevallige omstandigheden ongeveer 1 op de 40.000 is, een teken dat er misschien nog andere deeltjes en krachten in het universum bestaan die het gedrag van het muon beïnvloeden.

“Dit zat er al enige tijd aan te komen,” zegt natuurkundige Mark Lancaster van de University of Manchester, een van de leden van het Muon g-2-samenwerkingsverband, een team van ruim tweehonderd natuurwetenschappers uit zeven landen. “Velen van ons werken hier al tientallen jaren aan.”

Volgens de strikte standaards van de deeltjesfysica mogen de resultaten nog niet een ‘ontdekking’ worden genoemd. Die drempel wordt pas bereikt als de resultaten een statistische zekerheid van 5 sigma hebben bereikt, oftewel een kans van 1 op 3.500.000 dat het verschil tussen het model en de nieuwe waarneming het gevolg is van een willekeurige fluctuatie in plaats van een reële afwijking.

De nieuwe resultaten worden gepubliceerd in de wetenschappelijke vakbladen Physical Review Letters, Physical Review A&BPhysical Review A en Physical Review D en zijn gebaseerd op slechts zes procent van de totale hoeveelheid gegevens die naar verwachting gedurende het experiment zal worden verzameld. Als de resultaten van het Fermilab consistent blijken te zijn, dan zou binnen enkele jaren de drempelwaarde van 5 sigma kunnen worden bereikt. “De juiste benadering is die van voorzichtig optimisme,” zegt Nima Arkani-Hamed, een theoretisch fysicus van het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken.

Nu al zijn de resultaten van het Fermilab de belangrijkste aanwijzing in tientallen jaren dat er nog meer elementaire deeltjes of krachten in het universum bestaan dan in het huidige Standaardmodel zijn opgenomen. Als de nu gevonden discrepantie met het Standaardmodel consistent blijkt te zijn, dan is het experiment “Nobelprijs-waardig, zonder twijfel,” zegt natuurkundige Freya Blekman van de Vrije Universiteit Brussel, die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken.

'Model van alles'

Het Standaardmodel is ongetwijfeld een van de meest succesvolle theoretische modellen in de geschiedenis van de natuurwetenschappen, want het voorspelt met verbluffende precisie hoe de verschillende elementaire deeltjes in het universum zich gedragen. Maar wetenschappers beseffen al geruime tijd dat het model niet compleet is. Ten eerste kan het geen goede beschrijving geven van het fenomeen zwaartekracht en het zegt ook niets over de mysterieuze ‘donkere materie’ die in het universum alom aanwezig lijkt te zijn.

Om uit te zoeken of er deeltjes en krachten buiten het Standaardmodel zouden kunnen bestaan, proberen wetenschappers al geruime tijd met uitgebreide experimenten de natuur onder hoge druk haar geheimen te ontfutselen. Maar het Standaardmodel heeft tot nu toe alle mogelijke tests weerstaan, waaronder jaren van hoogenergetische experimenten met de Large Hadron Collider (LHC) bij Genève, waar in 2012 een deeltje werd ontdekt dat door het Standaardmodel al was voorspeld: het Higgs-boson, dat andere elementaire deeltjes van massa voorziet.

In tegenstelling tot de LHC, waar men elementaire deeltjes met veel energie tegen elkaar laat botsen om nieuwe deeltjes te ontdekken, worden in het Muon g-2-experiment van het Fermilab bekende deeltjes met veel grotere precisie gemeten, zodat eventuele afwijkingen van het Standaardmodel kunnen worden gevonden.

“In de LHC laten ze als het ware twee Zwitserse horloges met grote kracht op elkaar botsen. Daarbij worden heel wat fragmenten geproduceerd en die geven je de kans om uit te zoeken hoe die horloges werken,” zegt Lancaster. “Wij kijken daarentegen zeer, zeer nauwkeurig naar het tikken van een Zwitsers horloge om te zien of het wel precies doet wat we van zo’n mechaniek zouden verwachten.”

Het muon is zo’n beetje het ideale elementaire deeltje om het Standaardmodel op afwijkingen te betrappen. Het overleeft lang genoeg om nauwgezet in het laboratorium onderzocht te worden – althans naar subatomaire maatstaven: niet langer dan een paar miljoensten van een seconde – en hoewel een muon zich in veel opzichten als een elektron gedraagt, heeft het een 207-maal grotere massa, waardoor het goed van zijn tegenhanger valt te onderscheiden.

Wetenschappers doen al tientallen jaren onderzoek naar de manier waarop de magnetische spin van muonen wordt beïnvloed door andere bekende elementaire deeltjes. Op kwantumschaal – die van afzonderlijke elementaire deeltjes – uiten minieme fluctuaties in energie zich als deeltjesparen die spontaan ontstaan en weer verdwijnen, als belletjes in een reusachtig bubbelbad.

Als muonen zich mengen in deze schuimige achtergrond van ‘virtuele’ deeltjes, wiebelen ze volgens het Standaardmodel 0,1 procent sneller dan men zou verwachten. Deze extra snelheid in het wiebelen van het muon staat bekend als het ‘afwijkend magnetisch moment’.

Maar de juistheid van de voorspellingen die op basis van het Standaardmodel worden gedaan, berust op het totale aantal elementaire deeltjes dat door het model wordt verklaard. Als het universum bijvoorbeeld nog andere zware deeltjes zou bevatten, zouden die het afwijkend magnetisch moment van het muon moeten beïnvloeden, ook bij experimenten in het laboratorium.

Het bestuderen van het muon is “zo ongeveer de meest alomvattende test van de nieuwe fysica,” zegt Dominik Stöckinger, theoretisch fysicus aan de Technische Universität Dresden en lid van het Muon g-2-team.

Wetenschap 101 - Elektromagnetisme
Elektromagnetisme is een van de vier fundamentele krachten van de natuur. Leer over de relatie tussen elektriciteit en magnetisme, de verschillende golflengten in het elektromagnetische spectrum en hoe een onzichtbare kracht onze hele planeet beschermt.

Muonenbundels en magneetvelden

Het Muon g-2-experiment begint met een bundel muonen, die wetenschappers creëren door protonenparen op elkaar te laten botsen en de resulterende fragmenten vervolgens nauwkeurig te filteren. De muonenbundel wordt daarna door een veertien ton wegende magneetring gevoerd, die oorspronkelijk voor het experiment in Brookhaven werd gebruikt maar in 2013 per schip en truck van Long Island naar Illinois werd getransporteerd.


Terwijl de muonen rondvliegen in de opslagring, waar een uniform magneetveld heerst, vervallen de wiebelende muonen tot deeltjes die door een reeks van 24 detectoren op de binnenzijde van de ring worden opgevangen. Door te meten hoe vaak de detectoren door deze puindeeltjes worden getroffen, kunnen de onderzoekers berekenen hoe snel de wiebeling van de oorspronkelijke muonen is geweest – een beetje zoals je de rotatiesnelheid van de lamp van een vuurtoren in de verte kunt afleiden uit het afzwakken en verhelderen van de lichtbundel.

Met het Muon g-2-experiment wordt geprobeerd het afwijkend magnetisch moment van het muon te meten met een precisie van 140 op één miljard, viermaal nauwkeuriger dan bij het Brookhaven-experiment. Maar tegelijkertijd moesten de wetenschappers ook de allerbeste voorspelling volgens het Standaardmodel berekenen. Van 2017 tot 2020 werkten 132 theoretici onder leiding van Aida El-Khadra van de University of Illinois aan een ongekend nauwkeurige voorspelling van het wiebelen van het muon. Maar zelfs die voorspelling was niet genoeg om het waargenomen afwijkend magnetisch moment van de muon-spin te kunnen verklaren.

Omdat er zoveel op het spel staat, probeerde het team van het Fermilab elke waarnemingsfout uit te sluiten. De belangrijkste meetgegevens van het experiment berusten op het precieze tijdstip waarop de detectoren de signalen oppikken, dus werd de meeteenheid van de installatie met een willekeurige waarde aangepast om uit te zoeken of de wetenschappers dat zouden merken. Door deze doelbewuste verandering zouden ook de uitkomsten van het experiment iets verschuiven, wat pas naderhand tijdens het analyseren van de gegevens zou worden gecorrigeerd.

De willekeurige basisinstelling van de meeteenheid werd met de hand op twee briefjes geschreven en in enveloppen in twee kluisjes – in het Fermilab en op de University of Washington in Seattle – bewaard. Eind februari werden de enveloppen geopend en de willekeurige instelling aan het team onthuld, waarna de echte resultaten van het experiment in een live-videoconferentie per Zoom konden worden gecorrigeerd.

“We waren allemaal enorm opgetogen maar ook geschokt – omdat we diep van binnen wat pessimistisch waren over de goede afloop van het experiment,” zegt Jessica Esquivel, postdoctoraal-onderzoekster aan het Fermilab en lid van het Muon g-2-team.

Nieuwe fysica?

De resultaten van het Fermilab zijn een belangrijke aanwijzing voor het bestaan van deeltjes en krachten buiten het Standaardmodel, maar theoretisch natuurkundigen die aan de ontwikkeling van een ‘nieuwe fysica’ werken, kunnen niet zomaar van alles bedenken. Elke hypothese waarmee de resultaten van het Muon g-2-experiment wordt verklaard, moet tegelijkertijd ook kunnen uitleggen waarom er door de LHC zo weinig nieuwe elementaire deeltjes zijn gevonden.

In enkele van de voorgestelde hypotheses die erin slagen beide problemen te verklaren, wordt uitgegaan van een universum dat meerdere types Higgs-bosonen bevat, niet slechts het ene Higgs-boson dat in het Standaardmodel is opgenomen. Andere hypotheses gaan uit van ‘leptoquarks’, waarmee nieuwe wisselwerkingen tussen muonen en andere elementaire deeltjes beschreven kunnen worden. Maar omdat veel van de eenvoudigste versies van deze theorieën alweer zijn verworpen, moeten natuurkundigen nu “op onconventionele manieren gaan denken,” zegt Stöckinger.

Het toeval wil dat er twee weken vóór het nieuws over de resultaten van het Fermilab – en onafhankelijk van die resultaten – bewijzen zijn gevonden van muonen die zich vreemd gedragen, namelijk tijdens een ander experiment met de naam LHCb. Bij dat experiment werd gekeken naar kort levende ‘B-mesonen’ die tot andere deeltjes vervielen. Volgens het Standaardmodel zouden bij het verval van de B-mesonen ook muonenparen gevormd moeten worden, maar het LHCb-experiment leverde aanwijzingen op dat dit minder vaak gebeurt dan was voorspeld, waarbij de kans op een toevallige fluctuatie ongeveer 1 op 1000 was.

Net als voor de resultaten van het Fermilab zullen er ook voor het LHCb-experiment meer gegevens verzameld moeten worden voordat er van een ‘ontdekking’ gesproken kan worden. Maar nu al doen de combinatie van beide resultaten de betrokken natuurkundigen “op en neer springen,” aldus El-Khadra.

De volgende stap is het repliceren van de resultaten. De bevindingen van het Fermilab zijn gebaseerd op de eerste ronde van het experiment, die halverwege 2018 ten einde liep. Momenteel analyseert het team de gegevens van nóg twee rondes. Als die gegevens overeenkomen met die van de eerste ronde, zou dat genoeg kunnen zijn om de anomalie eind 2023 tot een ‘officiële’ en belangrijke ontdekking uit te roepen.

Theoretici beginnen de voorspellingen van het Standaardmodel steeds meer te testen, vooral die voorspellingen die notoir lastig zijn om te berekenen. Maar met nieuwe supercomputer-simulaties op basis van wiskundige roosterpunten zouden ze ver moeten komen, hoewel de voorlopige resultaten enigszins afwijken van enkele waarden in de theoretische berekeningen van El-Khadra’s team. Er zullen nog jaren nodig zijn om al deze subtiele verschillen door te spitten en vast te stellen hoe ze de vormgeving van de nieuwe fysica zullen beïnvloeden.

Voor Lancaster en zijn collega’s zijn de jaren aan werk die hen nog te wachten staan zeker de moeite waard, vooral gezien de vooruitgang die al is geboekt. “Als je tegen mensen zegt dat je een meting wilt doen die nauwkeuriger is dan één op de miljoen, kijken ze je wat vreemd aan. Maar als je zegt dat je daarvoor nog tien jaar nodig hebt, denken ze dat je echt gek bent,” zegt hij. “Ik denk dat de boodschap hier ‘volharding’ is.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

Lees meer

Ontdek Nat Geo

  • Dieren
  • Milieu
  • Geschiedenis en Cultuur
  • Wetenschap
  • Reizen
  • Fotografie
  • Ruimte
  • Video

Over ons

Abonnement

  • Abonneren
  • Schrijf je in
  • Shop
  • Disney+

Volg ons

  • Gebruiksvoorwaarden
  • Privacyverklaring
  • Cookiebeleid
Copyright © 1996-2015 National Geographic Society. Copyright © 2015-2017 National Geographic Partners, LLC. Alle rechten voorbehouden.