De massa van het zogenoemde W-boson is groter dan gedacht, constateert een team van natuurkundigen na een jarenlange analyse. En dat zou kunnen wijzen op nieuwe deeltjes.
Op zich hebben natuurkundigen een prima functionerende theorie voor deeltjes en de krachten die daartussen werken: het standaardmodel. Probleem is alleen dat die theorie niet alles kan verklaren. De zwaartekracht maakt er bijvoorbeeld geen deel van uit. En ook donkere materie – het onzichtbare spul waar zo’n 84 procent van het heelal van is gemaakt – bestaat niet uit deeltjes die in dit standaardmodel zitten.
Daarom is het altijd erg interessant als een meting níét met het standaardmodel lijkt te stroken. Want dat kan een eerste aanwijzing zijn richting deeltjes, krachten of andere verschijnselen die nu nog buiten dat standaardmodel vallen – en waarmee misschien een aantal openstaande vragen te beantwoorden is. Het nieuwste voorbeeld: de massa van het W-boson, die volgens het team achter het Amerikaanse deeltjesexperiment CDF II net wat groter is dan het standaardmodel voorschrijft.
Boodschapperdeeltjes
Allereerst: over wat voor deeltje hebben we het hier? Het standaardmodel bevat drie krachten, oftewel drie manieren waarop deeltjes interactie met elkaar kunnen hebben. Dat zijn de elektromagnetische kracht, de sterke (kern)kracht en de zwakke (kern)kracht.
Voor elk van deze krachten zijn er een of meer ‘boodschapperdeeltjes’. Deeltjes die elkaar aantrekken of afstoten ten gevolge van de elektromagnetische kracht wisselen bijvoorbeeld fotonen uit. De sterke kracht wordt overgebracht door zogenoemde gluonen. En de boodschapperdeeltjes van de zwakke kracht, die onder meer een rol speelt bij radioactief verval, zijn de zogenoemde W- en Z-bosonen.
Om die W-bosonen gaat het hier. Daarvan is bekend dat ze ongeveer tachtig keer zoveel moet wegen als protonen en neutronen – de deeltjes waar atoomkernen uit zijn opgebouwd. Wat die massa precies is, dat proberen deeltjesfysici al decennialang steeds nauwkeuriger te bepalen.
Dat doen ze met deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC) bij Genève. Daarin botsen deeltjes met enorme snelheid tegen elkaar, waarbij andere deeltjes ontstaan. Eén deeltje dat bij zo’n botsing kan opduiken, is het W-boson. Dat vervalt vervolgens binnen een fractie van een seconde tot andere, lichtere deeltjes, maar uit die andere deeltjes kun je wel – met een boel pijn en moeite – afleiden wat dat kortstondige W-boson moet hebben gewogen.
Verrassend resultaat
Dat laatste hebben de fysici achter de Collider Detector at Fermilab II (CDF II) nu gedaan met een twee keer zo grote precisie als bij eerdere metingen. Daarbij maakten ze gebruik van vrij ‘bejaarde’ gegevens: het CDF-experiment registreerde botsingen in de Amerikaanse deeltjesversneller Tevatron, die al in 2011 met pensioen ging. Maar nog steeds worden de data die deze machine heeft opgeleverd dus geanalyseerd.
En in dit geval heeft zo’n analyse een behoorlijk verrassend resultaat opgeleverd. Op grond van een dikke 4 miljoen deeltjesbotsingen waarbij W-bosonen ontstonden, komen de CDF-wetenschappers tot een massa van 80,433 mega-elektronvolt (MeV). (De elektronvolt is de eenheid voor massa die deeltjesfysici graag gebruiken. Een proton of neutron weegt ongeveer 1 MeV.)
Waarom is dat gek? Omdat je de massa van het W-boson ook kunt uitrekenen, met behulp van het standaardmodel. Daar plug je dan de massa’s van allerlei andere deeltjes in, zoals die van het in 2012 ontdekte higgsdeeltje, en dan krijg je… 80,357 MeV.
Donkere fotonen
Waar kan dat verschil tussen de berekende en de gemeten massa van het W-boson door komen? Bijvoorbeeld door deeltjes die tot nu toe onopgemerkt zijn gebleven in experimenten, omdat ze te zwaar zijn of omdat ze te weinig van zich laten merken. “Zulke deeltjes kunnen de voorspelde massa van het W-boson veranderen”, zegt CERN-deeltjesfysicus Maarten Boonekamp, niet betrokken bij de CDF-studie.
Wat voor deeltjes dat dan zouden moeten zijn? In hun artikel, overigens het coververhaal van het wetenschappelijke tijdschrift Science, noemen de CDF-wetenschappers een aantal opties. Misschien is het higgsdeeltje stiekem opgebouwd uit kleinere deeltjes. Of wie weet bestaan er zogenoemde ‘donkere fotonen’, die nauwelijks interactie hebben met gewone materie.
Maar eigenlijk hebben natuurkundigen op dit moment nog geen idee. “De komende weken en maanden zullen er waarschijnlijk tientallen theoretische artikelen verschijnen waarin de implicaties van dit resultaat worden bestudeerd”, voorspelt Boonekamp.
Voorzichtigheid geboden
Tegelijk moeten we niet al te hard van stapel lopen. “Het resultaat van CDF wijkt nogal af van eerdere metingen – inclusief die van CDF zelf”, zegt Boonekamp. “Voorzichtigheid is dus geboden. En omdat het zo’n uitzonderlijk resultaat is, dat flink afwijkt van het standaardmodel, moeten we extra voorzichtig zijn.”
Wat zou er dan achter het resultaat kunnen zitten als het géén nieuwe deeltjes of verschijnselen zijn? Volgens Boonekamp is de experimentele analyse van het CDF-team uitzonderlijk goed – maar maakt het team daarbij wel gebruik van gedateerde theoretische berekeningen. “Het team vermeldt de vele ontwikkelingen op dat gebied van de afgelopen 20 tot 25 jaar niet. Of dat van belang is voor hun resultaat, moet nog blijken. Maar op dit moment is het wel een belangrijk aandachtspunt.”
Vérstrekkende gevolgen
Een belangrijke volgende stap is kijken of andere teams het resultaat kunnen bevestigen. De ogen zijn daarbij vooral gericht op de verschillende experimenten die botsingen in de deeltjesversneller LHC bestuderen. Tot nog toe blijven die qua precisie nog een eind achter bij het CDF-team, “maar ze zijn ermee bezig hetzelfde niveau te halen”, zegt Boonekamp.
Verder zouden de gegevens verzameld met een ander Tevatron-experiment, D0, nog eens goed bekeken kunnen worden, schrijven deeltjesfysici Claudio Campagnari en Martijn Mulders in een commentaar op het CDF-artikel. En toekomstige deeltjesversnellers zoals de 100 kilometer lange Future Circular Collider zullen ook meer kunnen zeggen over de massa van het W-boson – maar dat is voor de langere termijn.
Voor nu gaat het in elk geval nog om één team dat met een verrassende meting is gekomen. Een meting die mogelijk vérstrekkende gevolgen kan hebben – maar die ook weer van tafel geveegd kan worden als andere natuurkundigen zich erop storten.
