:format(webp)/s3/static.nrc.nl/images/gn4/stripped/data84351915-b4970a.jpg)
„Het is toch wel een verrassing, ook voor henzelf”, zegt Freya Blekman, deeltjesfysicus betrokken bij de instituten DESY in Hamburg en CERN in Genève en niet direct betrokken bij het onderzoek van haar collega’s van Fermilab bij Chicago in de VS. Die publiceerden deze donderdag in het vakblad Science de resultaten van 26 jaar aan metingen met de CDF-detector, een van de twee meetinstrumenten van de Tevatron-deeltjesversneller. De detectoren traceren de brokstukken die wegspatten bij frontale botsingen tussen protonen en antiprotonen, deeltjes die door de deeltjesversneller opgejaagd zijn tot bijna de lichtsnelheid.
Bij 4,2 miljoen van die botsingen ontstond er heel kort een W-deeltje, een elementair deeltje dat in 1983 ontdekt werd aan CERN. Zo’n W-deeltje valt heel snel uiteen in andere deeltjes, maar door de sporen van de wegschietende deeltjes te volgen, is toch vast te stellen wat de massa van het W-deeltje geweest moet zijn.
Eindconclusie: het W-deeltje heeft een massa van 80.433 mega-elektronvolt, ongeveer de massa van een broom-atoom, met een meetonzekerheid van 9 mega-elektronvolt. Dat wijkt nauwelijks af van de massa die de CDF-natuurkundigen eerder publiceerden, kort nadat de detector in 2011 gesloten werd.
Een web van verbanden
„Maar dit is een nieuwe, veel preciezere meting”, zegt Blekman. „Ieder schroefje, ieder draadje in de detector is tot op de micrometer meegenomen, en er zijn ook preciezere berekeningen op grond van de bekende theorie gedaan om de meetnauwkeurigheid omhoog te krijgen”, zegt Blekman.
Die meetonzekerheid is daardoor teruggebracht van 79 naar 9 mega-elektronvolt, en dat maakt alle verschil: nu we de W-massa zo precies weten, lijkt die niet meer te kloppen met de rest van de deeltjesfysica.
„De meting heeft vele jaren geduurd, en de meetwaarde was al die tijd verborgen tot alle procedures helemaal nagelopen waren”, zegt CDF-onderzoeker Chris Hays van de universiteit van Oxford in een Fermilab-persbericht. „Toen we de waarde onthulden, was dat een verrassing.”
„We hebben het Standaard Model”, zegt Blekman, „een theorie over elementaire deeltjes die precies kan voorspellen wat er uit allerlei metingen komt. Dat werkt fantastisch. Maar als je deze meting invult, is het niet consistent.”
Natuurkundigen geloven dat de formules mooi en eenvoudig moeten zijn
Freya Blekman deeltjesfysicus
De wiskunde van het Standaard Model voorspelt relaties tussen de massa van het W-deeltje en die van andere deeltjes zoals het top-quark en het higgsdeeltje. Volgens die relaties moet de W-massa 80.357 plusminus 6 mega-elektronvolt zijn: 76 minder dan de nieuwe meting. Blekman: „Het is een web van verbanden, en nu past een van de deeltjes plotseling niet meer op de lijnen van dat web.”
Dat kan twee dingen betekenen: óf er is een fout gemaakt, óf de theorie moet uitgebreid worden. Natuurkundigen hopen op het laatste, want er is op het Standaard Model wel iets aan te merken ondanks alle prestaties.
„Er zijn veel verschillende redenen dat het Standaard Model niet het laatste woord kán zijn”, zegt Blekman. Een beroemd voorbeeld is de donkere materie die astronomen wel zien maar die niet in het Standaard Model zit. „De zwaartekracht zit er ook niet in, en bij hoge energieën stopt de theorie gewoon met werken. Daarnaast is het Standaard Model lelijk en ingewikkeld. Veel natuurkundigen geloven dat de uiteindelijke formules mooi en eenvoudig moeten zijn.”
Alle mogelijke pluimages
Bij iedere afwijkende meting hopen ze dan ook dat die als breekijzer kan dienen op zoek naar een uitbreiding van het Standaard Model: nieuwe natuurkunde. Blekman: „Daar bestaan duizenden verschillende voorstellen voor, en de meeste daarvan komen neer op het toevoegen van extra deeltjes die we nog niet gezien hebben.”
Dat klinkt onlogisch: waarom zou een afwijking van 1 promille van de verwachte massa van één deeltje een aanwijzing zijn voor het bestaan van een compleet ander deeltje? Maar in de quantummechanica wordt dat ene deeltje altijd beïnvloed door een wolk van kort bestaande deeltjes van alle mogelijke pluimages – ook door niet ontdekte deeltjes, die misschien net die ene promille kunnen toevoegen.
Ook de Large Hadron Collider, de deeltjesversneller bij CERN, heeft een meting van de W-massa gepubliceerd, en een andere onder handen. „Maar hier doen wet het weer net iets anders, met andere detectoren en net iets andere methodes”, zegt Blekman. „Ik weet hoe lastig die meting is en hoe ontzettend veel werk het is. Maar dit houdt de moed er wel in.”