Opnieuw barstje in standaardmodel van deeltjesfysica

Natuurkunde Gaat het standaardmodel van de deeltjesfysica breken? Resultaten uit een Amerikaans experiment leiden tot opwinding.

De Muon g-2-ring in het Fermilab in de buurt van Chicago. Het experiment wordt uitgevoerd bij een temperatuur van -268 graden Celsius.
De Muon g-2-ring in het Fermilab in de buurt van Chicago. Het experiment wordt uitgevoerd bij een temperatuur van -268 graden Celsius. Foto Reidar Hahn/Fermilab

Een barstje in het standaardmodel van de deeltjesfysica is iets groter geworden, maar het is nog niet zeker of het zal breken. Dat blijkt uit nieuwe metingen van het Muon g-2-experiment bij het Amerikaanse onderzoekscentrum Fermilab. Muonen, de zware broertjes van elektronen, blijken zich daar namelijk net iets anders te gedragen dan het standaardmodel voorspelt. Dat kan betekenen dat er nieuwe deeltjes of andere natuurkundige verschijnselen bestaan die we nog niet kennen. Deeltjesfysici zijn enthousiast. „Het is een topresultaat”, zegt Freya Blekman, hoogleraar deeltjesfysica aan de Vrije Universiteit Brussel en niet betrokken bij Muon g-2.

Het standaardmodel, dat alle bekende bouwstenen van de kosmos en hun onderlinge krachten beschrijft, werkt ontzettend goed, maar het is niet compleet. Het verklaart bijvoorbeeld niet waarom er donkere materie lijkt te bestaan of waarom alles om ons heen materie is en we bijna geen antimaterie zien. „Daarom proberen deeltjesfysici gaten te schieten in het standaardmodel”, zegt Blekman. Het barstje van Muon g-2 kan zo’n gat worden.

Lees over de resultaten van afgelopen maart: Voorzichtige opwinding onder fysici: deeltje gedraagt zich vreemd

Afgelopen maart kwamen fysici ook al met resultaten van een muonen-meting die een barstje in het standaardmodel beschrijft. De nieuwe bevinding kijkt naar een ander aspect van muonen en ondersteunt een resultaat van bijna twintig jaar geleden. Toen werd hetzelfde Muon g-2-experiment uitgevoerd bij het Amerikaanse onderzoeksinstituut in Brookhaven. Destijds werd er ook een afwijking van het standaardmodel gemeten, maar de meting was niet nauwkeurig genoeg om met zekerheid te kunnen zeggen dat er iets geks aan de hand is.

In de mottenballen

Ruim tien jaar stond het experiment in de mottenballen totdat werd besloten om de opstelling te verplaatsen naar Fermilab, honderden kilometers verderop, vertelt Gerco Onderwater van de Rijksuniversiteit Groningen. Hij was betrokken bij ‘Brookhaven’. Bij Fermilab is het experiment opnieuw opgebouwd en verbeterd.

Muon g-2 meet nog steeds hetzelfde als twintig jaar geleden: het magnetisch moment van muonen. Om deze eigenschap te meten worden de muonen in een cirkelvormige buis gebracht met een diameter van veertien meter. Krachtige magneten zorgen ervoor dat de muonen met een hoge snelheid door deze buis suizen. Tegelijkertijd zorgt het magneetveld ervoor dat de muonen om hun as tollen. Hierbij zullen ze een beetje gaan wiebelen. Uit de mate waarin ze wiebelen wordt het magnetisch moment van de muonen afgeleid. „Je kunt het vergelijken met een draaitolletje”, zegt Blekman. „Door heel nauwkeurig te meten hoe een tolletje wiebelt tijdens het draaien, kun je afleiden hoe de massa verdeeld is.” In het geval van Muon g-2 vertelt het gewiebel van de muonen in het magneetveld niet iets over de massaverdeling, maar over hun magnetisch moment.

Virtuele deeltjes

Het standaardmodel voorspelt dat de waarde van het magnetisch moment van een muon 2 is (in een bepaalde meeteenheid). Deze waarde geldt voor muonen die niet verstoord worden door andere deeltjes. In de cirkelvormige buis van het Muon g-2-experiment heerst een vacuüm. Je verwacht dus geen verstorende deeltjes. Toch is dit niet het hele verhaal. Een vacuüm is nooit echt leeg. Door zogeheten quantumfluctuaties verschijnen er overal deeltjes uit het niets, die ook razendsnel weer verdwijnen. Alle mogelijke subatomaire deeltjes kunnen op deze manier heel even opduiken naast een muon. Deze zogeheten ‘virtuele’ deeltjes beïnvloeden het magnetisch moment. Hoe meer verschillende deeltjes er bestaan, hoe meer het magnetisch moment van de muonen beïnvloed wordt.

Dit is een gruwelijk moeilijke berekening

Gerco Onderwater Rijksuniversiteit Groningen

Om de juiste theoretische waarde van het magnetisch moment te bepalen, berekenen theoretici heel nauwkeurig het effect van alle deeltjes die we kennen en die volgens het standaardmodel bestaan. „Dit is een gruwelijk moeilijke berekening”, vertelt Onderwater. Een grote groep theoretici heeft jarenlang gewerkt om uit te rekenen hoeveel het magnetisch moment van muonen volgens het standaardmodel afwijkt van de waarde 2, door het effect van virtuele deeltjes. Dat blijkt net iets meer dan een promille te zijn.

In het Muon g-2-experiment is gekeken hoeveel de gemeten waarde van het magnetisch moment verschilt van 2. Twintig jaar geleden toonde het experiment in Brookhaven dat de gemeten waarde een piepklein beetje verschilt van de waarde die theoretici zo zorgvuldig berekend hebben. De nieuwe resultaten bevestigen dit. Het magnetisch moment van muonen lijkt iets groter dan verwacht.

„De meest voor de hand liggende verklaring voor deze afwijking is dat er een of meerdere extra deeltjes bestaan die niet in het standaardmodel voorkomen”, zegt Blekman. Die nieuwe deeltjes kunnen dan namelijk ook als virtuele deeltjes opduiken naast muonen en hun magnetisch moment beïnvloeden. Wat voor nieuwe deeltjes dat zijn, vertelt het experiment niet, maar het bestaan ervan zou een aanzienlijk gat is het standaardmodel opleveren. Precies waar deeltjesfysici op hopen.

Toch vieren ze nog geen feest. Ook de nieuwe metingen zijn nog niet nauwkeurig genoeg om van een ontdekking te mogen spreken. Daarom draait het experiment bij Fermilab door. En ook in Japan wordt geprobeerd om muon g-2 op een nieuwe manier te meten. In de komende jaren kunnen we meer metingen, met hogere nauwkeurigheid verwachten, vertelt Onderwater. Het barstje in het standaardmodel is gegroeid, maar een gat is er nog niet in geschoten.