Er is weer nieuws uit deeltjesland: vandaag onthult het Amerikaanse Fermilab nieuwe resultaten van een al twintig jaar durend onderzoek naar rondtollende muonen. Hun gewiebel wijst steeds meer op het bestaan van een nog onbekend elementair deeltje.
Update woensdag 17.30 uur: De resultaten van het nieuwe experiment hebben het bewijs voor een afwijking van het standaardmodel verstevigd. De twee experimenten hebben samen nu een statistische significantie van 4,2 sigma. Daarmee is de kans op een toevallige uitschieter nog maar 1 op 40.000. Bij 5 sigma spreken deeltjesfysici van een ontdekking.
Lees hier meer over het nieuwe resultaat.
Het muon is de grote broer van het elektron: het is eveneens een negatief geladen deeltje, maar dan een stuk zwaarder. Wanneer zo’n geladen deeltje ronddraait, wekt het een magnetisch veld op. De sterkte en richting van dat magneetveld staat bekend als het magnetisch moment van het deeltje, oftewel zijn g-factor.
Als een muon in een perfect vacuüm zou ronddraaien, zou zijn g-factor een waarde van 2 hebben. Maar een perfect vacuüm bestaat niet: volgens de wetten van de quantumfysica verschijnen en verdwijnen er voortdurend overal allerlei deeltjes, zelfs in een ‘lege’ ruimte. Doordat het muon af en toe op zo’n spookdeeltje botst, ligt zijn g-factor iets boven de 2. Fysici duiden die afwijking aan met de term ‘g – 2’.
Het standaardmodel van de deeltjesfysica beschrijft wat voor deeltjes er allemaal in een vacuüm tevoorschijn komen. Daarom kunnen fysici via die theorie voorspellen hoe groot het magnetisch moment van een muon in een vacuüm moet zijn. Ze komen uit op een g – 2 van 0,0011659180.
Wiebelingen
Vijftien jaar geleden zagen fysici al hints dat de g-factor van het muon in werkelijkheid nog wat verder van 2 afwijkt. Van 2001 tot 2006 onderzochten ze muonen in het Brookhaven-lab in New York. Ze lieten die muonen onder invloed van een enorm sterk magneetveld met bijna de lichtsnelheid door een cirkelvormige buis jakkeren.
De muonen gedragen zich in zo’n situatie als een draaitol: terwijl ze razendsnel om hun eigen as draaien, wiebelen ze ook een beetje. Deze wiebelingen komen voort uit het magneetveld dat de muonen zelf opwekken. Door de schommelingen te meten, kunnen fysici het magnetisch moment van de muonen uitrekenen.
Het Brookhaven-experiment wees uit dat de g – 2 van de muonen iets groter is dan gedacht, namelijk tussen 0,0011659203 en 0,0011659215. Dat is een minieme afwijking van slechts een paar miljoensten ten opzichte van de voorspelde waarde. Maar voor fysici is het een betekenisvol verschil. Het heeft namelijk een statistische significantie van 3,7 sigma. In de deeltjesfysica is 3 sigma voldoende om te spreken van ‘bewijsmateriaal’ voor een verschijnsel.
Het verschil kan duiden op het bestaan van een nieuw elementair deeltje. Wanneer het draaiende muon immers meer deeltjes tegenkomt dan het standaardmodel voorspelt, verklaart dat zijn hogere magnetische moment. Ook zou de afwijking door een nog onbekende natuurkracht veroorzaakt kunnen zijn.
Naar Chicago
Pas wanneer de significantie de 5 sigma aantikt, spreken deeltjesfysici van een ‘ontdekking’. Het Brookhaven-experiment was niet nauwkeurig genoeg om deze waarde verder op te krikken. Daarom kan er nog altijd sprake zijn geweest van een statistische uitschieter.
Om eindelijk zekerheid te krijgen of de g – 2-afwijking echt bestaat, verplaatsten fysici het experiment in 2013 van het Brookhaven-lab naar het Fermilab. Dat was vrij letterlijk een verplaatsing: de ring die de muonen laat rondtollen, werd in vijf weken tijd per schip en vrachtwagen van New York naar Chicago gebracht. Daar werd die ring gekoppeld aan een grotere deeltjesversneller, zodat er meer muonen geproduceerd en bestudeerd konden worden – ruim twintig keer zoveel als in New York.
In 2018 startte het Fermilab met de nieuwe metingen. Uiteindelijk zullen de resultaten vier keer zo nauwkeurig zijn als die van Brookhaven, wat hoop geeft op de gedroomde 5 sigma-ontdekking. Maar tot nu toe is alleen het eerste jaar aan data geanalyseerd. Daardoor zullen de bevindingen die woensdag worden gepresenteerd ongeveer even nauwkeurig zijn als het oorspronkelijke resultaat. Toch is de uitkomst spannend: zal de g – 2 weer een stukje boven de voorspelde waarde uitkomen?
Tweede higgsdeeltje?
Als de afwijking de komende jaren standhoudt, moet het standaardmodel waarschijnlijk worden uitgebreid met een nieuw elementair deeltje. Wat voor deeltje dat dan zou zijn, is nog volstrekt onduidelijk. Het experiment meet immers alleen hoeveel collega-deeltjes de muonen in de ring tegenkomen, en niet wat voor deeltjes dat zijn.
Fysici hopen vooral op een grote afwijking. Dat wijst namelijk op het bestaan van een niet al te zwaar deeltje. Zo’n deeltje ligt mogelijk binnen meetbereik van de LHC: de keizerlijke deeltjesversneller van CERN in Genève. Een van de vele opties is bijvoorbeeld een tweede higgsdeeltje.
Ook is er nog de mogelijkheid dat het standaardmodel op een minder ingrijpende manier moet worden aangepast. Wellicht hebben de deeltjes binnen het model toch iets meer invloed op de draaiende muonen dan gedacht.
Vorig jaar nog rekenden enkele fysici aan de bijdrage van verschijnende en verdwijnende gluonen: de deeltjes die de sterke kernkracht overbrengen. Ze kwamen erop uit dat deze bijdrage wellicht iets groter is dan in de oorspronkelijke berekening, waardoor de theoretische g – 2 wat dichter bij de gemeten waarde komt.
Dit resultaat is echter nog niet in een wetenschappelijk tijdschrift gepubliceerd, en staat onder fysici hevig ter discussie. In het algemeen is het standaardmodel de afgelopen jaren al flink aangescherpt, zodat het nog maar weinig ruimte biedt om zonder drastische ingreep een grote experimentele afwijking te verklaren.
Meer scheurtjes
Het standaardmodel werkt over het algemeen uitstekend bij het beschrijven van de fundamentele kenmerken van de natuur. Maar op sommige vlakken schiet het model jammerlijk tekort. Het biedt bijvoorbeeld geen beschrijving van de zwaartekracht, en ook geen verklaring voor de mysterieuze donkere materie waar het heelal mee vol lijkt te zitten. Een aanvulling – al dan niet via een nieuw deeltje – lijkt dus hard nodig.
Het LHCb-experiment van CERN vond onlangs nog nieuwe aanwijzingen voor een scheurtje in het model. Ook bij dat onderzoek gedroegen muonen zich wat anders dan verwacht. Het LHCb-resultaat ligt met een sigma van 3,1 nu op een iets lager zekerheidsniveau dan het oorspronkelijke g – 2-resultaat.
