De elegantie verdwijnt uit het standaardmodel

Natuurkunde Het gedrag van de kleinste deeltjes van de kosmos wordt beschreven met het standaardmodel. Blijft dit model overeind, nu er een vreemd los eindje lijkt te zijn?

De Compact Muon Solenoid van Cern, een detector van LHC-deeltjesversneller.
De Compact Muon Solenoid van Cern, een detector van LHC-deeltjesversneller. Foto Rex Features

Hij ligt er weleens wakker van. Midden in de nacht vraagt hij zich dan af: wat betekenen de meetresultaten? En: „Hoe breng je ze naar buiten – zonder te veel te beloven, en zonder ze tekort te doen?”

Niels Tuning is verbonden aan het Nederlandse deeltjes-instituut Nikhef en leidt de data-analyse van het LHCb-experiment bij de grote LHC-deeltjesbotser van het CERN bij Genève. Lang stond dat LHCb-experiment in de schaduw van de enorme Atlas- en CMS-experimenten waarmee in 2012 het Higgs-deeltje werd ontdekt. Met hun veel bescheidener detector bestudeerden de LHCb-fysici heel andere deeltjes (‘b-mesonen’, waarover straks meer) en natuurlijk hoopten ze op iets onverwachts. Maar deze vondst hadden ook zij niet kunnen bedenken. De beste samenvatting ervan: het muon doet raar.

Muonen zijn de zware broers van de elektronen die in atomen om de atoomkern bewegen. En het rare is dat ze in ten minste twee van de deeltjesprocessen die de LHCb’ers nauwkeurig hebben nagemeten, minder vaak opduiken dan voorspeld. Hoe die verdwijntruc zou kunnen werken is een raadsel. Maar voor Tuning is vooral de vraag urgent of het echt om een verdwijntruc gaat. De muonen zouden ook stomtoevallig kunnen ontbreken in de lange meetserie: zoals de zes stomtoevallig kan ontbreken in een lange reeks dobbelsteenworpen.

Misschien duiken de verloren muonen straks gewoon weer op

De kans dat het inderdaad om zo’n toevalsverschijnsel gaat is een op duizend – althans, voor het eerste, in maart bekendgemaakte LHCb-resultaat. Zo’n kans is te groot om erop te vertrouwen dat het om een reëel fenomeen gaat. Misschien duiken de verloren muonen straks gewoon weer op, zoals ook de zes in een heel lange reeks dobbelsteenworpen altijd weer gewoon mee blijkt te doen. Aan de andere kant: óók in een meting van het g-2-experiment in Brookhaven gedragen de muonen zich vreemd. En een tweede LHCb-meting, waarvan de resultaten deze week naar buiten zijn gebracht, laat alweer te weinig muonen zien. De interpretatie van die laatste twee metingen is wel lastiger, omdat de theoretische voorspellingen met onzekerheden zijn omgeven. „Maar toch, het wijst allemaal dezelfde kant op”.

En tegelijk knaagt het bij Tuning, want: „Een extraordinary claim vraagt om extraordinary evidence.” En als deze resultaten kloppen, is ‘buitengewoon’ haast nog zacht uitgedrukt. Een vreemd los eindje zou breken met een decennialange traditie waarin het gedrag van de kleinste bouwsteentjes van de kosmos steeds maar weer correct werd voorspeld. Sterker, zo’n los draadje zou het standaardmodel dat die bouwsteentjes en hun gedrag beschrijft, misschien zelfs onderuit kunnen halen. Tuning: „En tegelijk kan het dus gewoon loos alarm zijn.”

De eerste stappen

Eerst: hoe zit het met dat standaardmodel? En hoe passen de muonen erin? Hoewel het standaardmodel zelf pas in de jaren zeventig van de vorige eeuw werd ontwikkeld, is de eerste aanzet ertoe ouder. Je kunt de deeltjesfysica ook laten beginnen in 1911, toen Rutherford met een elegante proef liet zien dat atoomkernen geen puddinkjes waren waarin negatief geladen elektronen als amandeltjes of rozijnen in een positief geladen gelei lagen. Atomen, zo liet Rutherford zien, bestaan uit een kleine en compacte positief geladen kern waaromheen, op grote afstand, elektronen bewegen.

De atoomkernen zelf bevatten, zo bleek in de daaropvolgende decennia, positief geladen deeltjes (protonen) en nagenoeg evenveel neutrale deeltjes (neutronen) die daar als een buffer tussen zitten. En de atoomkernen van opeenvolgende elementen in het periodiek systeem der elementen bevatten steeds één proton meer. Het klopte allemaal als een bus, en het leek helemaal perfect toen theoretisch fysicus Wolfgang Pauli één extra massaloos, neutraal deeltje voorstelde om zo ook alle radioactieve vervalsprocessen kloppend te krijgen. Dat nagenoeg ongrijpbare ‘kleine neutraaltje’, ofwel ‘neutrino’, draagt een beetje energie (en voor de liefhebber, ook impuls) weg tijdens die processen waarin atoomkernen uit elkaar vallen. Het was een triomf toen Frederick Reines en Clyde Cowan het in 1956 in hun Project Poltergeist naast een kerncentrale in South Carolina echt te pakken kregen.

Welke rol speelde dit muon in de natuur? Waarom bestond het?

Maar tegen die tijd was ook duidelijk dat er in de kosmos meer spul rondzwierf dan louter die protonen, neutronen, elektronen en neutrino’s waarmee je – in principe – sterren en planeten in elkaar kon knutselen. Zo was in 1936 in metingen aan straling uit de kosmos ineens die kortlevende, zware broer van het elektron opgedoken. Dat deeltje was in alle opzichten de evenknie van het elektron, maar wel met een massa van zo’n tweehonderd keer de elektronmassa. Welke rol speelde dit ‘muon’, zoals het werd genoemd, in de natuur? Waarom bestond het? Of zoals de Amerikaanse fysicus en Nobelprijswinnaar Isidor Rabi destijds uitriep: „Who ordered that?!

Bouwdoos

Met wat overdrijving kun je dus zeggen dat muonen lang geleden ook al een eerste hint gaven dat de deeltjeswereld anders in elkaar zat dan gedacht. Destijds bleek die deeltjeswereld veel wanordelijker dan voorzien – al helemaal toen in de jaren veertig en vijftig een baaierd aan nieuwe deeltjes opdook, vaak met een onbegrepen gedragspatroon dat vreemd – ‘strange’ – werd genoemd. Die vielen pas op hun plek toen de theoretisch fysici Murray Gell-Mann en George Zweig in 1964 op basis van symmetrieën in het deeltjesgedrag nog kleinere bouwsteentjes voorstelden: quarks. Door uit te gaan van drie typen quarks – die ze de namen up, down en strange gaven – en door combinaties te maken van steeds twee of drie quarks, konden Gell-Mann en Zweig ineens in één klap protonen en neutronen en alle tot dan gemeten ‘vreemde’ deeltjes verklaren. Het was de aanzet tot dat standaardmodel waarin ook het elektron en muon werden ondergebracht, en in de decennia daarna nog eens drie quarks en een reeks andere deeltjes.

Hoe ziet dat standaardmodel er tegenwoordig uit? Het is misschien het beste te vergelijken met een bouwdoos met vakjes voor verschillende typen bouwsteentjes. Het getal drie speelt daarbij een speciale rol. Zo is er in het vakje voor de quarks plek voor drie quark-‘generaties’ met elk twee leden: up en down, strange en charm, top en bottom. In het zogenoemde leptonvakje zitten dan weer drie broers – het elektron, muon en het daarna ontdekte, nog zwaardere tau-deeltje – die elk worden vergezeld door een eigen neutrino.

Verbindingsmaterialen

Verder is er een vakje met drie typen verbindingsmaterialen. Het eerste materiaal bestaat uit fotonen die de elektromagnetische kracht overbrengen die bijvoorbeeld de negatief geladen elektronen om de positief geladen atoomkernen laat bewegen. Het tweede bestaat uit W- en Z-deeltjes die de zwakke kracht overbrengen, verantwoordelijk voor onder meer dat radioactieve verval. Het derde verbindingsmateriaal, tot slot, bestaat uit gluonen die via de sterke kracht quarks in groepjes van twee, drie en soms vier of vijf aan elkaar kleven. Handleidingen met rekeninstructies beschrijven de werking van die drie krachten in verder detail. Én leveren vaak bergen rekenwerk op, want tijdens het uitwisselen van gluonen, Z-deeltjes of andere ‘dragerdeeltjes’ duiken voortdurend kortlevende deeltje-antideeltje-paren op die als een wat storende mist om de deelnemers aan het uitwisselingsproces hangen.

Een overkoepelende set spelregels bepaalt verder het verloop van allerlei deeltjesprocessen op hoofdlijnen. Als deeltjes op elkaar botsen, of uit elkaar vallen, dan verbieden de regels dat er tijdens die processen energie verdwijnt of spontaan bijkomt. Precies dezelfde hoeveelheid energie – al dan niet als massa vermomd – die de deelnemende deeltjes voorafgaand aan de botsing of het verval inbrengen, moet weer worden weggedragen door de deeltjes die uit de botsing of het verval ontstaan. En net zoiets geldt bijvoorbeeld voor de totale hoeveelheid elektrische lading.

Waarom zou je mooi in elkaar geknutselde atoomkernen weer uit elkaar willen laten vallen?

Helemaal in het hart van de bouwdoos zit dan nog, cruciaal, het Higgsdeeltje dat er met een bijbehorend Higgsveld voor zorgt dat de andere deeltjes (behalve de lichtdeeltjes) massa hebben en niet louter energiepakketjes zijn.

Wat die metafoor van de bouwdoos niet laat zien is hoe nauw het standaardmodel samenhangt met het verhaal van de kosmos. Neem de zwakke kernkracht, waarvan je je in eerste instantie kan afvragen waarvoor die nodig is. Waarom zou je mooi in elkaar geknutselde atoomkernen weer uit elkaar willen laten vallen via radioactief verval? Totdat je beseft dat deze kracht – door de Nederlandse Nobelprijswinnaars ’t Hooft en Veltman in een prachtige theorie gevat – eveneens betrokken is bij kernfusie; bij het ontstaan van de atoomkernen van de elementen van het periodiek systeem dus. Op die manier speelde deze kracht een cruciale rol toen tijdens de vroegste stadia van de kosmos de eerste heliumkernen ontstonden, én in veel latere stadia bij de kernfusieprocessen in sterren, en dus ook in de zon die onze aarde warm houdt.

Werkzaamheden aan het CMS-experiment. Foto CERN/EPA

Net zo kan iemand die het quarkvakje in de bouwdoos bekijkt zich afvragen waarom er nou juist drie quarkgeneraties zijn. Wie daarna dan de derde generatie onder de loep neemt, ontdekt dat deze generatie betrokken is bij asymmetrische processen die deels verklaren waarom er in de kosmos meer materie dan antimaterie is overgebleven. En dat is (in elk geval voor de optimisten onder ons) een geluk, want waren materie en antimaterie in precies dezelfde hoeveelheden blijven bestaan, dan hadden die elkaar vernietigd en waren wij noch de sterrenhemel er geweest.

Dat laatste was trouwens een belangrijke reden voor LHCb-fysici om juist quarks uit de derde generatie op de korrel te nemen. Of liever, ze richten zich op deeltjes die ten minste één bottom-quark bevatten. Meestal zijn dat die eerder genoemde b-mesonen. En tijdens het bestuderen van het gedrag van één zo’n b-meson trad dus dat onverwachte muontekort op. Het ging om een zeldzaam proces waarin het bottom-quark van smaak verandert en, via sluipwegen en tussenstappen, in een strange-quark verandert. De regels en handleidingen van het standaardmodel dwingen af dat daarbij een elektron- of een muonpaar vrijkomt, maar in de metingen doken slechts 85 muonparen op voor elke honderd elektronenparen, terwijl je er honderd om honderd zou verwachten.

Wat nu?

Wat betekent dat? Als de hint zich ontpopt tot een echt resultaat, betekent dat allereerst een wisseling van de wacht. Experimentele fysici en theoretici spelen haasje-over. Soms, zoals bij de ‘vreemde’ deeltjes en de quarks, leiden experimentele resultaten tot een nieuwe theorie. Andere keren, zoals bij de ontdekking van ‘nieuwe’ quarks, bevestigen experimenten juist achteraf een eerdere theoretische voorspelling. En de laatste decennia was in de deeltjesfysica vooral dat laatste het geval. De W- en Z-deeltjes die in de jaren tachtig mede dankzij de versnellertechnieken van de Nederlandse Nobelprijswinnaar Simon van der Meer op CERN werden gevonden, waren vooraf ‘aangekondigd’. Of neem het tau-deeltje dat in de jaren in Stanford in de Verenigde Staten zeventig werd ontdekt: ook al door theoretici voorzien. Het Higgsdeeltje dat in 2012 op CERN opdook, was zelfs al een halve eeuw eerder op papier ontstaan.

Dat er nu resultaten zomaar uit de lucht lijken te vallen, zorgt voor verwarring

Dat er nu resultaten zomaar uit de lucht lijken te vallen, zorgt voor verwarring. Je merkt het aan theoretici, zegt Tuning, die niet precies weten of ze er iets mee moeten en wat dan. En je merkt het aan de experimentatoren die zich ineens op glad ijs bevinden. Destijds konden zij het bestaan van het Higgsdeeltje claimen toen de kans dat de vondst op toeval berustte in twee onafhankelijke metingen kleiner was dan ongeveer een op 3,5 miljoen. Biedt datzelfde criterium zekerheid nu het – misschien – gaat om een ‘extraordinary’ fenomeen? En als dat niet zo is, hoeveel metingen moeten fysici dan wel doen?

Al even behoedzaam spreken fysici over de eventuele betekenis van de resultaten. Het is natuurlijk niet voor het eerst dat er afwijkingen worden gevonden, beginnen ze meestal. Zo hebben neutrino’s volgens het standaardmodel géén massa, terwijl ze die in de werkelijkheid van de experimenten wel hebben. In de jaren negentig leidde dat tot een uitbreiding van het standaardmodel, een soort extra ‘feature’. En wie weet zorgen de nieuwe resultaten – als ze al overeind blijven – er dus voor dat het standaardmodel simpelweg met nóg een feature wordt uitgerust. Er is al gesuggereerd om de ooit populaire ‘leptoquarks’ weer van stal te halen, hypothetische deeltjes die anders dan bijvoorbeeld de W- en Z-deeltjes van de zwakke kracht, zowel aan quarks zouden koppelen als aan muonen, elektronen en tau-deeltjes. Daarmee zou een vierde verbindingsmateriaal in de deeltjesbouwdoos worden gestopt.

Een beetje topzwaar

En misschien, denken sommige deeltjesfysici, helpen zulke uitbreidingen zelfs om het standaardmodel beter te doorgronden. Want los van de neutrino’s en muonen zijn er zoveel andere vragen. Waarom is een muon veel zwaarder dan een elektron bijvoorbeeld? Of: waarom heeft een top-quark zo enorm veel meer massa (evenveel als een goudatoom) dan een up-quark? Of: waarom zijn er drie quarkgeneraties en drie leptonfamilies? En: waarom kan het model het materieoverschot, ten opzicht van de antimaterie, niet volledig verklaren?

Copernicus verving het ingewikkelde systeem in één klap door een systeem met de zon in het centrum

Anderzijds kan het standaardmodel door allerlei uitbreidingen ook een beetje topzwaar worden, zegt Freya Blekman, hoogleraar in Brussel, die bij het CMS-experiment precisiemetingen aan het standaardmodel verricht. Zij noemt Ptolemeus die ooit de aarde in het hart van zijn model van de kosmos zette. Ptolemeus had in dat geocentrisch stelsel steeds meer hulpcirkels nodig om de zwervende bewegingen van planeten te beschrijven. Totdat Copernicus het ingewikkelde systeem in één klap verving door een systeem met de zon in het centrum en alle planeetbewegingen als vanzelf op hun plek vielen. Is het een teken aan de wand dat ook het standaardmodel uitbreidingen vergt – en wie weet straks weer eentje om de muonen in te passen? Gaat ook onder het standaardmodel een elegantere theorie schuil?

Maar met een „het is echt nog te vroeg om daarover iets te zeggen” drukken Blekman en Tuning die gedachte vervolgens meteen de kop weer in. Voorlopig turen deeltjesfysici door een nog onscherpe lens naar puzzelstukjes die afwijkend lijken, en dat misschien toch niet zijn. Wordt vervolgd dus.