Theorie over elementaire deeltjes klopt mogelijk niet


De natuur lijkt elektronen en hun zwaardere broertjes, de muonen, behalve op grond van massa ook nog op andere eigenschappen te discrimineren. Dat is in tegenspraak met de heersende theorie die beide elementaire deeltjes gelijk behandelt.


Opwinding vandaag in de wereld van de deeltjesfysica. Uit voortijdig vrijgegeven onderzoeksresultaten blijkt dat elektronen en muonen verschillend reageren op het samenspel van natuurkrachten zoals dat beschreven staat in het standaardmodel, de heersende theorie van de materie. Dat model brengt alle elementaire (want ondeelbare) deeltjes samen, en ook drie van de vier natuurkrachten die erop inspelen: het elektromagnetisme, en de sterke en zwakke kernkracht. De voor ons zo bekende zwaartekracht valt er voorlopig tussenuit.

Het elektron en het muon zijn twee van die elementaire deeltjes. Afgezien van hun massa (het muon is zo’n tweehonderd keer zwaarder dan het elektron) zijn de deeltjes identiek, waardoor ze de krachten van het standaardmodel op dezelfde manier ondergaan. Of tenminste, dat dachten fysici.


Voorbij standaardmodel

Na jarenlang onderzoek naar een specifiek type deeltjesverval blijkt nu dat elektronen en muonen daarin toch niet in gelijke hoeveelheden ontstaan, wat het standaardmodel nochtans dicteert. Het Europese deeltjeslab Cern in Genève onderzoekt dat sinds 2011 met de LHCb-detector, een van de acht grote ‘experimenten’ op de deeltjesversneller LHC. De resultaten van de metingen met de LHCb-detector verraden een lichte voorkeur van de krachten van het standaardmodel voor elektronen. Voor elke zeven elektronen kwamen er zes muonen uit het vervalproces gerold.

Als die scheve verhouding standhoudt in vervolgmetingen (al spreken sommige deeltjesfysici nu al van een ‘bewijs’) dan betekent dit het einde van de zogeheten leptonuniversaliteit. Dan ontstaat er dus onenigheid binnen de familie van de leptonen, waartoe behalve het elektron en het muon ook het tau-lepton (dat nog veel zwaarder is dan het muon) behoort. De familieleden zouden dan ook van elkaar verschillen in eigenschappen waarop de natuurkrachten van het standaardmodel inwerken.

En dat is een groot probleem voor theoretische fysici, want zulke eigenschappen zijn hen vooralsnog onbekend. Bij bevestiging van de resultaten moeten ze weer naar de tekentafel. De ontdekking van ‘nieuwe fysica’ maakt een update van de theorieën van de allerkleinste materie en dus ook van het standaardmodel noodzakelijk. Het is zelfs mogelijk dat er een nieuwe, vijfde natuurkracht moet worden ingevoerd – of een vierde kracht, als we binnen het bereik van het standaardmodel blijven. Dat zou het model en bij uitbreiding de deeltjesfysicawereld helemaal op z’n kop zetten. In een vakartikel dat binnenkort in Nature Physics verschijnt, schrijven de LHCb-fysici dat ze een tipje van de sluier konden oplichten over de ‘fysica voorbij het standaardmodel’.


Nieuwe deeltjes

Een nieuwe kracht brengt ook nieuwe deeltjes met zich. Op Twitter hinten fysici betrokken bij het LHCb-experiment op een nieuwe variant van het zogenaamde Z-boson, een van de krachtvoerende deeltjes van de zwakke kernkracht (wat de fotonen voor de elektromagnetische kracht zijn). Een ander nieuw deeltje waarover fysici volop speculeren is de ‘leptoquark’, een mengvorm tussen leptonen en quarks die met beide types elementaire deeltjes zou kunnen wisselwerken. De quarks zijn de bouwstenen van de atoomkern.

Maar eerst moeten de resultaten van het LHCb-experiment nog worden gerepliceerd in vervolgmetingen en bekrachtigd in andere experimenten. ‘Als dit effect echt is dan moet het ook in andere types vervalprocessen zichtbaar zijn’, zegt hoogleraar deeltjesfysica Freya Blekman (VUB), die niet betrokken was bij het onderzoek. ‘En als het inderdaad door nieuwe deeltjes wordt veroorzaakt dan moeten die ook te vinden zijn in de LHC of in toekomstige versnellers.’


DS, 23-03-2021 (Senne Starckx)