Het lijkt erop dat de LHC een onverwacht zwaar deeltje heeft gevonden, dat de deur openzet naar een betere – en volledig onverwachte – verklaring van hoe onze wereld in elkaar zit. Morgen geven onderzoekers verbonden aan Cern een nieuwe update over dat deeltje. Wij blikken vooruit op alle mogelijke scenario’s.
Als het vermeende nieuwe deeltje inderdaad bestaat, dan heeft Gian Giudice er zijn hele wetenschappelijke leven op gewacht. ‘We hebben het hier niet over het bevestigen van een bestaande theorie, maar over het openen van een deur naar een onbekende en onontdekte wereld’, zegt de theoretisch fysicus die werkt bij CERN in Genève, Zwitserland.
Maar dan moet het dus ook daadwerkelijk ‘iets’ zijn. Op dit moment hebben we alleen hints die opduiken uit de brokstukken van de botsingen die plaatsvinden in het paradepaardje van CERN, de deeltjes vermorzelende Large Hadron Collider. Als deze hints de komende weken en maanden hardnekkiger worden, dan kan dit wel eens ‘the big one’ zijn. Vergeet het higgsdeeltje, vergeet zelfs zwaartekrachtsgolven: 2016 zou zomaar eens de boeken in kunnen gaan als het jaar waarin we een compleet nieuw beeld krijgen van hoe de natuur op fundamenteel niveau werkt.
Hobbels in de data
Deze hoop komt voort uit twee ‘hobbeltjes’ die onafhankelijk van elkaar op dezelfde plek zijn opgedoken in de laatste gegevens van de twee grote detectoren van de LHC, Atlas en CMS. Die hobbels wijzen in de richting van een deeltje waar zelfs het Higgs-boson, het in 2012 door CERN ontdekte massagevende deeltje, schril bij af steekt.
De vondst van het higgsdeeltje was een mijlpaal, maar wel eentje die het einde van een lange weg markeerde. Het was namelijk het laatste door het standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelde deeltje dat nog moest worden gevonden. De kluts aan geraffineerde vergelijkingen die het standaardmodel wordt genoemd, klopt tot nu toe perfect met de resultaten van alle uitgevoerde experimenten. Het verklaart de werking van drie fundamentele natuurkrachten: elektromagnetisme, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht.
Toch is het model overduidelijk incompleet. Het zegt namelijk niets zegt over de vierde natuurkracht, zwaartekracht, en is niet in staat om uit te leggen waarom het higgsdeeltje en de grofweg zestien andere elementaire deeltjes de eigenschappen hebben die ze hebben – om nog maar te zwijgen over de vraag wat nu toch die onzichtbare donkere materie is, waarvan het universum doordrenkt zou zijn.
Kortom: om van het standaardmodel los te komen, zullen we iets compleet nieuws moeten zien te vinden.
Gouden standaard
Dit verklaart de opwinding die de hints teweegbrachten die in de LHC-gegevens van 2015 te zien waren. 2015 was het eerste volledige jaar waarin de LHC op een energieniveau draaide dat dicht tegen het maximum aanligt waarvoor het is ontworpen. Theoretisch fysicus John Ellis van King’s College London zegt zoiets als dit niet meer gezien te hebben sinds de onfortuinlijke bekendmaking dat neutrino’s de lichtsnelheid hadden gebroken, door fysici in Italië.
Dit bleek het gevolg te zijn van een door het licht uitgehaalde truc. Een niet goed vastgemaakte glasvezelkabel had de tijdsmetingen van het experiment verstoord. Het is onwaarschijnlijk dat zo’n fout ook hier aan de orde is, maar dit soort wrede plaagstoten zijn nu eenmaal een beroepsrisico voor onderzoekers die werken met machines zoals de LHC.
Het ziften door brokstukken van protonenbotsingen, die een miljard keer per seconde optreden, om te bepalen of daar iets onverwachts tussen zit, is rommelig en complex werk. Als je maar lang en intensief genoeg kijkt, zit de kans er dik in dat je een keer een patroon ontwaart dat je graag wilt zien. Om ergens echt zeker van te kunnen zijn, moet je vele malen precies dezelfde observatie doen.
Als je een muntje opgooit en drie keer achterelkaar kop gooit, dan kun je dit prima toeschrijven aan toeval. Gooi je meer dan vijf keer kop achterelkaar, dan begin je zo langzamerhand wel te vermoeden dat er met het muntje geknoeid zou kunnen zijn. De ‘gouden standaard’ die deeltjesfysici hanteren voordat ze willen spreken van een ontdekking, correspondeert met een kans van minder dan 1 op de 3,5 miljoen dat een waargenomen patroon is toe te schrijven aan toeval. Dat is een grens die je bij het muntjesgooi-experiment bereikt tussen de 21e en 22e opeenvolgende keer dat je kop gooit.
750 GeV
Met de LHC-hobbels zijn we nog niet helemaal op dat niveau aanbeland. Deze hobbels werden waargenomen in botsingen die twee lichtdeeltjes, fotonen, voortbrachten van heel hoge energie. Zulke botsingen zouden normaalgesproken veel minder van deze fotonen moeten produceren, omdat die meer en meer energie kosten om te maken naargelang je het energieniveau opvoert. Met oplopende energie zien Atlas en CMS dan ook steeds minder achtergrondgebeurtenissen die gerelateerd zijn aan andere bekende processen die twee fotonen produceren.
Maar op een energieniveau van 750 gigaelektronvolt (GeV), energie die gedeeld wordt door de twee fotonen, zagen de detectoren ineens een lichte uitschieter naar boven (zie de grafiek een stukje hieronder). Dit zinspeelt erop dat hier iets aan de hand is. Deeltjes hebben een onveranderlijke massa. Wanneer ze vervallen, wordt die massa omgezet in de massa en energie van de vervalproducten. Een teveel aan fotonen met een energie die opgeteld 750 GeV is, werpt de mogelijkheid op dat ze afkomstig zijn van het verval van een op dit moment onbekend deeltje dat precies deze hoeveelheid energie bevat, in de vorm van massa.
Het verval in twee fotonen is een heel erg ‘schoon’ proces. Fotonen zijn namelijk eenvoudiger waar te nemen dan andere deeltjes en de mate waarin fotonen op de achtergrond ontstaan, is goed bekend. Een vergelijkbaar hobbeltje in een grafiek op 125 GeV bleek uiteindelijk het higgsdeeltje te zijn dat voor het eerst een glimp liet zijn van zijn bestaan. De nu gevonden hobbels zouden een deeltje kunnen voorstellen dat, met een straatlengte voorsprong, het zwaarste deeltje is tot nu toe – met een massa van zes keer dat van het higgsdeeltje en vier keer dat van een loodatoom.
Eén op de zoveel honderd
De hoogte van de hobbels lijkt akelig veel op het signaal dat het higgsdeeltje afgaf, zes maanden voordat de ontdekking daarvan bekend kon worden gemaakt. Het exact uitrekenen is bijna niet te doen, maar als je de in december bekendgemaakte resultaten van Atlas en CMS combineert, dan is de kans dat de hobbels een statistische toevalstreffer zijn één op de zoveel honderd. Dat is het equivalent van negen of tien keer op een rij kop gooien – genoeg om flink achterdochtig te worden dat er met het muntje is geknoeid, maar nog niet om daar volledig van overtuigd te zijn.
Desalniettemin, de lont is nu in het kruitvat gestoken. Nog geen week nadat de hobbels in de gegevens van Atlas en CMS publiekelijk waren gemaakt, hadden theoretici al meer dan honderd mogelijke verklaringen op de server van ArXiv gezet, de plaats waar fysici hun gegevens kunnen neerploffen nog voordat er sprake is van een formele publicatie. Sindsdien is dit aantal alleen nog maar verder de pan uit gerezen.
Verdachte uitschieter
Het tellen van de hoeveelheid gebeurtenissen waarbij twee fotonen ontstaan, laat een klein overschot zien op een energieniveau van grofweg 750 gigaelektronvolt (GeV). Dit wijst wellicht op het bestaan van een nieuw deeltje
Yasunori Nomura van de universiteit van Californië, Berkeley, was een van de eersten die zo’n verklaring naar voren bracht. ‘Normaal spring ik niet gelijk af op afwijkingen zoals deze, omdat het gewoon erg vaak om troep gaat, maar deze ziet er relatief goed uit’, zegt hij. ‘Eigenlijk zijn we een beetje wanhopig, omdat we veel problemen op te lossen hebben, maar niet de gegevens om dat ook te doen.’
Vijfde natuurkracht?
Een aantal dingen kunnen we al zeggen over het vermeende deeltje. Om te beginnen heeft het geen elektrische lading. Daarnaast is de spin – een quantummechanische eigenschap – begrensd door twee voorwaarden. Ten eerste dicteert de wiskunde achter het fenomeen spin dat een deeltje dat in twee fotonen vervalt, waarbij die fotonen een spin hebben van 1, niet zelf ook een spin van 1 kan hebben. Ten tweede moet de spin een geheel getal zijn. Het deeltje zou dus een spin van 2 kunnen hebben, wat bij sommige theoretisch fysici het idee aanwakkert dat het weleens een type graviton kan zijn – een hypothetisch deeltje met een spin van 2 dat zwaartekracht overbrengt. Dit zou de eerste voorbode zijn van een langverwachte theorie die voorbij het standaardmodel gaat en zwaartekracht verenigt met de andere bekende natuurkrachten.
Het deeltje zou ook een spin van 0 kunnen hebben, net als het higgsdeeltje. Dit sluit aan bij een andere theorie die zegt dat het hier gaat om een zwaardere neef van het higgsdeeltje. Maar als het deeltje inderdaad een spin heeft van 0, dan impliceert een door Nomura gemaakte analyse dat het geen elementair deeltje kan zijn. In dat geval zouden de grillen van de quantummechanica namelijk een zee aan andere, kortlevende elementaire deeltjes doen opborrelen uit het omringende vacuüm. Dat zou de massa van het deeltje nog veel verder opblazen dan nu al het geval is.
In plaats daarvan denkt Nomura dat het een samengesteld deeltje moet zijn, dat je kunt vergelijken met de protonen en neutronen die in atoomkernen huizen. Die bestaan uit quarks die door de sterke kernkracht bij elkaar worden gehouden. Deze theorie zou dan wel weer betekenen dat dit mysterieuze deeltje het eerste is dat bij elkaar wordt gehouden door een compleet nieuwe, vijfde natuurkracht die pas bij hogere energieniveaus zijn intrede doet.
Dat klinkt misschien wat vergezocht, maar het zou in principe niets anders zijn dan de geschiedenis die zichzelf herhaalt. In de jaren vijftig en zestig zorgde de ontdekking van een stortvloed aan deeltjes die uit quarks bestaan ervoor dat fysici op het idee kwamen van de sterke kernkracht. Nomura zegt dat hij samen met een onderzoeker uit zijn team verschillende tests op het idee heeft losgelaten – en dat het idee met vlag en wimpel voor al die tests is geslaagd.
Supersymmetrie
Dit neemt niet weg dat andere theoretici precies hetzelfde zeggen over hun eigen lievelingstheorieën. Ellis maant daarom tot voorzichtigheid. Gezien onze mate van onwetendheid, zegt hij, kan het deeltje nog steeds zowel elementair als samengesteld zijn. ‘Er is niet veel dat we kunnen uitsluiten. Zelfs de spin van het deeltje is nog steeds geen uitgemaakte zaak.’
Het enige dat we vermoedelijk wél kunnen uitsluiten, is dat het gaat om een deeltje waar veel theoretici, waaronder Ellis, stiekem op hopen: een supersymmetrisch deeltje. Supersymmetrie is een theorie die veel gaten in het standaardmodel dicht. Dit doet het door het tevoorschijn toveren van een hele reeks aan zwaardere deeltjes die zij aan zij staan met alle op dit moment bekende deeltjes. De LHC is er tot nu toe niet in geslaagd bewijs voor deze supersymmetrie op te duikelen. Zelfs het kleine beetje dat we weten over dit laatste vermeende deeltje correspondeert voor geen meter met ook maar de simpelste modellen voor supersymmetrie.
Dan is er nog een andere eigenaardigheid. Het deeltje is zo zwaar dat het alleen indirect zou moeten vervallen in twee fotonen, via deeltjes van minstens de helft van zijn massa – maar er is niets dat hier op wijst. ‘Als dit ding echt is, dan kan het gewoon niet in zijn eentje zijn. Het vereist het bestaan van nog meer nieuwe deeltjes’, zegt Ellis.
Het feit dat er geen kant-en-klaar model is, zoals supersymmetrie, dat een deeltje voorspelt met de juiste eigenschappen, maakt de situatie extra intrigerend voor Giudice. ‘Dat is het meest opwindende deel van dit verhaal’, zegt hij. Zijn eigen voorgevoel stemt overeen met dat van Nomura – dat het deeltje een aanstormende kudde aan nieuwe deeltjes inluidt, die op elkaar inwerken door middel van een op dit moment onbekende vijfde fundamentele kracht. Als dat zo is, dan kunnen we ons opmaken voor veel meer tekenen van nieuwe deeltjes met een zelfs nog grotere massa, zo lang Atlas en CMS steeds meer gegevens verzamelen.
Achtergrondfluctuatie
Het verzamelen van meer gegevens is de voornaamste taak van experimenteel natuurkundigen zoals Jim Olsen van het CMS. Hoewel hij er koel onder probeert te blijven, is hij net zo opgewonden als zijn collega-theoretici. Als de hobbels in de gegevens van Atlas en CMS groter worden wanneer de LHC het botsen van hoogenergetische deeltjes volgende maand hervat, dan is dat ‘absoluut enorm’, zegt hij. ‘Dit is een compleet nieuw object om te bestuderen en het eerste buiten het standaardmodel.’
Toch kan het net zo goed dat de hoge verwachtingen straks genadeloos onderuit worden gehaald, zoals in het verleden al zo vaak is gebeurd. In 2014 nog, zagen CMS en Atlas voorzichtige uitschieters in de gegevens van botsingen op lagere energie die een stroom aan deeltjes voortbrengen. De uitschieters hintten op een mogelijk deeltje met een massa van rond de 2000 GeV, waarbij de betrouwbaarheid van de metingen ongeveer even groot was als bij de vondst die nu mogelijk is gedaan.
Theoretici kwamen binnen de kortste keren aanzetten met allerlei verklaringen – de meest populaire was een deeltje dat een nieuwe natuurkracht met zich mee zou brengen – om de hobbel uiteindelijk tot niets te zien vervagen tegen de tijd dat de gegevens uit 2015 werden geanalyseerd, ironisch genoeg precies op het moment de nieuwste hobbels de kop op staken.
‘Het kan zomaar zijn dat de statistiek een spelletje met ons aan het spelen is, zoals wel vaker, dus ik zou maar gewoon even wachten op de gegevens die eraan komen’, zegt Patrick Janot van het CMS. ‘Met fysici die in de LHC-gegevens naar zoveel verschillende verschijnselen op zoek zijn, zou het abnormaal zijn als je niet af en toe een uitschieter van deze grootte vindt.’ Dit wordt ook benadrukt door Marumi Kado van Atlas. ‘We hebben een heel scala aan verschillende analyses lopen op zoek naar allerlei soorten patronen, wat de mogelijkheid vergroot dat je een keer louter op een achtergrondfluctuatie stuit,’ zegt hij.
‘Diphoton searches’
Het moment van maken of kraken zou weleens nabij kunnen zijn. De LHC leverde in 2015 niet zoveel gegevens als verwacht en er waren ook nog eens problemen met de gigantische magneet die deeltjes door de CMS detector stuurt. Dit had tot gevolg dat lang niet alle gegevens zo bruikbaar waren als ze hadden kunnen zijn. Mochten de onderzoekers er sindsdien in zijn geslaagd om in hun analyse te compenseren voor de ontbrekende magneet, dan is er wellicht meer duidelijkheid te verwachten vanuit de conferentie in de Italiaanse Alpen waar fysici van CERN op dit moment bijeen zijn. Op donderdag 17 maart, vlak na de lunch, staat een bespreking van ‘diphoton searches’ in zowel Atlas als CMS op het programma. Veel ogen zullen gericht zijn op de gegevens die daar naar buiten worden gebracht. Maar als hier niets nieuws aan het licht komt, dan zullen we braaf moeten wachten tot de zomer. Dan komen de eerste gegevens beschikbaar van de nieuwe deeltjesverpletterronde die in april van start gaat.
Deeltjesfysici hopen dat 2016 hen weer terugvoert naar de ongeëvenaarde opwinding in de jaren zestig. Toen schudde ons beeld van hoe materie in elkaar zit op zijn grondvesten door de ontdekking van quarks en de sterke kernkracht. Voorlopig staan deeltjesfysici echter voor de schone taak om de feiten in overeenstemming te brengen met de verlokkingen van een mogelijk nieuw deeltje. Als je in een grote stad een keer een bekende tegen het lijf loopt, verbaas je je misschien over de toevalligheid van dit gebeuren. Maar daarmee vergeet je dan de 99 keer dat je daar liep zonder dat je een bekende tegenkwam, zegt LHCb-fysicus Ulrik Egede van het Imperial College London. Onze hersenen zijn zo afgericht dat ze bij bepaalde gebeurtenissen oorzaken herkennen, terwijl daar eigenlijk helemaal geen sprake van is. ‘Maar tegelijkertijd is het goed om hierdoor enthousiast te raken, want anders kom je in de wetenschap geen steek verder.’
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees verder: