In de deeltjesversneller LHC bij CERN in Genève zijn lichtdeeltjes oftewel fotonen met elkaar in botsing gebracht. Uit deze botsing van pure energie ontstonden nieuwe deeltjes met massa: zogeheten W-bosonen. Het is voor het eerste dat deze reactie is gezien.
Dat licht met zichzelf kan botsen, lijkt tegenintuïtief. Als je twee laserbundels op elkaar richt, ketsen ze immers niet op elkaar af; ze combineren tot een fellere lichtbundel. In extreem zeldzame gevallen, bij hoge energieën, kunnen lichtdeeltjes of fotonen echter wel degelijk botsen. In 2017 toonden wetenschappers dit aan met een meting van fotonen die op elkaar afketsten in de LHC en daarna doorvlogen.
Nu levert de ATLAS-detector bij de LHC overtuigend bewijs dat bij zo’n botsing ook twee W-bosonen kunnen ontstaan. Dit zijn deeltjes met een massa die de zwakke kernkracht overbrengen. Deze kracht speelt bijvoorbeeld een rol bij de kernfusie in de zon, waar waterstofatomen samensmelten tot heliumatomen.
Die omzetting van energie naar massa gaat volgens de beroemde formule E = mc2. Hierbij is E de energie, m de massa van de betrokken deeltjes en c de lichtsnelheid. Doordat c zo’n groot getal is, heb je om een klein beetje massa te maken een heleboel energie nodig.
Botsende quarks, gluonen én fotonen
In de LHC worden positief geladen waterstofkernen oftewel protonen versneld tot bijna de lichtsnelheid waarna ze op elkaar geknald worden. Waar komen dan die botsende fotonen uit de ATLAS-metingen vandaan?
‘Die fotonen kunnen twee bronnen hebben’, vertelt Kristin Lohwasser, een onderzoeker betrokken bij het ATLAS-experiment van de LHC. Allereerst is het belangrijk om te weten dat protonen bestaan uit kleinere deeltjes, genaamd quarks. Die quarks worden bij elkaar gehouden door gluonen, krachtdeeltjes die de sterke kernkracht overbrengen. Daarnaast speelt de elektromagnetische kracht een rol in de wisselwerking tussen de quarks. Die kracht wordt overgebracht door fotonen.
Eigenlijk botsen in de LHC dus pakketjes op elkaar met een heleboel gluonen, quarks en enkele fotonen. Heel af en toe vindt daarbij een botsing tussen twee fotonen plaats.
De tweede manier waarop fotonen kunnen botsen, heeft te maken met de positieve lading van de protonen. Deeltjes met lading hebben een elektromagnetisch veld om zich heen, waardoor ze tijdens het versnellen fotonen uitzenden. ‘Als kleine lichtflitsjes’, zegt Lohwasser. ‘Die kunnen botsen met fotonen van andere protonen, of met fotonen uit de eerste methode.’
W-bosonen en de elektrozwakke kracht
Het nieuwe bewijs dat uit fotonen W-bosonen kunnen ontstaan, toont niet alleen dat je van pure energie massa kunt maken. Het bevestigt ook dat de elektromagnetische kracht, die wordt overgebracht door fotonen, bij hoge energieën gekoppeld is aan de zwakke kernkracht, die wordt overgebracht door de W-bosonen. Dit is extra bewijs voor de ontdekking van een verenigde, ‘elektrozwakke’ kracht, waar drie fysici in 1979 een Nobelprijs voor kregen.
Daarnaast is de meting te gebruiken om het standaardmodel van de deeltjesfysica te testen, zegt Lohwasser. Fysici kunnen de metingen vergelijkingen met de voorspellingen die het standaardmodel doet over de overgang van fotonen naar W-bosonen. Als de metingen afwijken van de voorspelling, suggereert dat nieuwe natuurkunde, voorbij het standaardmodel.
Helaas zijn deze eerste metingen daar nog niet nauwkeurig genoeg voor. Lohwasser: ‘Op dit moment zien we nog niets nieuws of onverwachts, maar er is nog genoeg werk te doen.’
