Nieuw deeltje dat nergens bij past

Deeltjesfysica Metingen van de deeltjes-versneller LHC wijzen op een nieuw, onverwacht deeltje. Als het bewijs stand houdt, past het niet in het standaardmodel.

Met de CMS-detector en de ATLAS-detector van de deeltjes-versneller LHC lijkt een nieuw deeltje ontdekt. Foto CERN/CMS

„Dit zou een revolutie kunnen betekenen”, zegt Ivo van Vulpen. Hij is experimenteel natuurkundige bij het Nikhef in Amsterdam en betrokken bij ATLAS, een van de grote meetinstrumenten van de deeltjesversneller Large Hadron Collider (LHC) bij Genève.

Zowel ATLAS als de andere LHC-detector CMS hebben resultaten gemeten die wijzen op een nieuw, voorheen onbekend deeltje. Van Vulpen: „Het kan natuurlijk een uitschieter zijn die weggaat, maar de enige andere mogelijkheid is een nieuw deeltje.”

In de 27 kilometer grote ring van de LHC worden protonen op elkaar geschoten met een recordenergie van 13 tera-elektronvolt. Bij die botsingen ontstaan nieuwe deeltjes. Soms zijn die deeltjes nog volledig onbekend: zo werd in 2012 in de LHC het Higgs-deeltje ontdekt. Hoe hoger de botsingsenergie, hoe zwaarder de deeltjes die even het levenslicht kunnen zien.

Afgelopen december maakten onderzoekers van ATLAS bekend dat er een onverklaard hoog aantal dubbele gammastralings-fotonen gemeten was met precies dezelfde energie (samen 750 Gigaelektronvolt). Dat kan eigenlijk alleen als er tijdens de botsing even een deeltje bestaat dat vervolgens uit elkaar valt in twee gelijke fotonen. Maar zo’n deeltje, zes keer zo zwaar als het Higgs-boson, is tot nu toe onbekend.

Het laatste volledig onverwacht opduikende deeltje was het charm-quark in 1976. Nieuwe deeltjes van ná die datum pasten netjes in het standaardmodel, de gangbare natuurkundige theorie voor elementaire deeltjes en de hun wisselwerkingen.

Té netjes, naar de zin van veel natuurkundigen, want het standaardmodel verklaart lang niet alles: zwaartekracht, waarom de deeltjes de massa’s hebben die ze hebben, de aard van de donkere materie die astronomen in sterrenstelsels zien.

Dit is dé kans om naam te maken als theoretisch fysicus

Het verlangen naar ‘natuurkunde voorbij het standaardmodel’ is inmiddels hevig – zeker omdat de huidige generatie natuurkundigen zelf nog niet van de partij was toen dat model in de jaren zeventig werd opgesteld.

Het nieuwe deeltje, als dat het is, belooft zoiets. „Het past eigenlijk nergens goed bij”, zegt Van Vulpen. Het past niet in het standaardmodel, en ook niet bij supersymmetrie – dat is de gedoodverfde opvolger van het standaardmodel. Van Vulpen: „Het heeft een heel eigen signatuur.”

Inmiddels is onder theoretisch natuurkundigen een race uitgebarsten om deze observatie (het ‘diphoton excess’) in te passen in de theoretische natuurkunde, met honderden publicaties op de voorpublicatie-server Arxiv. „Dit is dé kans om naam te maken als theoretisch natuurkundige”, zegt Van Vulpen. Hij overweegt nu om eerdere ideeën over extra dimensies opnieuw te bekijken. „Je kunt niet overal aan meedoen, maar dit is wel zoiets bijzonders.”

Maar de fysici houden een slag om de arm. Al vele malen eerder doken onverwachte afwijkingen op in meetgegevens, die heel fors leken en vervolgens weer verdwenen. Dat is statistisch nu eenmaal onvermijdelijk bij metingen met ruis. Zeker als je met duizenden mensen terabytes aan gegevens meet en analyseert.

De gouden standaard voor een ontdekking in de deeltjesfysica is een statistische significantie groter dan ‘5 sigma’. Dat betekent dat de kans dat zulke metingen zouden opduiken als het verschijnsel níet bestond, slechts 1 op de 3,5 miljoen zou zijn. Zo sterk zijn de resultaten nog niet. De significantie van het piekje in de ATLAS-resultaten is vastgesteld op 4,7 sigma, en die van CMS op 3,4 sigma.

Van Vulpen: „Kijk, als dit een piekje was in één van de detectoren, dan had je niemand erover gehoord. Maar het feit dat we hetzelfde zien in beide detectoren, is wel heel bijzonder.”

Gelukkig is uitsluitsel in zicht. Na een winterstop gaat LHC in april weer verder met metingen. Van Vulpen: „We hebben nog twee of drie keer zoveel metingen nodig. Tegen de zomer zouden we het echt wel zeker moeten weten.”