“Voorzichtige opwinding” onder natuurkundigen: aanwijzing voor afwijking van het Standaardmodel en zeldzame observaties bij CERN
Het LHCb-experiment op de deeltjesversneller van het Europese CERN, waar ook natuurkundigen van de Universiteit Maastricht bij betrokken zijn, heeft vandaag resultaten gepresenteerd die een afwijking van het Standaardmodel suggereren. Hoewel de wereld met veel interesse naar de resultaten kijkt, is meer onderzoek nodig voordat van een doorbraak mag worden gesproken.
Het Standaardmodel beschrijft de allerkleinste bouwstenen van materie en hoe die, onder invloed van de vier bekende krachten in de natuurkunde, op elkaar reageren. Het Standaardmodel is inmiddels zo’n 50 jaar oud en in staat om tot dusver alle metingen in de deeltjesfysica te voorspellen en te verklaren.
CERN, LHCb, Nikhef en de Universiteit Maastricht
CERN is de Europese organisatie voor onderzoek naar elementaire deeltjes. ’s Werelds grootste en krachtigste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider (LHC), is in gebruik door de vele duizenden internationale onderzoekers die bij CERN aangesloten zijn. Nederlandse deelname loopt via de Nikhef-samenwerking, waar de Universiteit Maastricht deel van uitmaakt. Het LHCb-experiment is één van de vier experimenten op de LHC in Genève, Zwitserland. Er zijn 1475 onderzoekers van 89 verschillende instituten bij LHCb betrokken.
Aanwijzing voor een afwijking
Met de resultaten die CERN op 23 maart presenteerde breekt mogelijk een nieuwe fase voor het Standaardmodel aan: onderzoekers van het LHCb-experiment hebben een aanwijzing gevonden die suggereert dat er een nog onbeschreven vijfde natuurkundekracht in het spel is. De nieuwe metingen veroorzaken voorzichtige opwinding onder natuurkundigen.
Marcel Merk, nationaal programmaleider van het LHCb-project en hoogleraar deeltjesfysica aan de UM, noemt de ontwikkelingen superspannend: "Op 21 januari dit jaar kregen de analisten voor het eerst de data te zien. ‘Meer dan 3 sigma.’ Mijn hart sprong over. Wow, dit is het, dacht ik: dit is de reden dat ik 25 jaar geleden aan het onderzoek met LHCb begonnen ben.” Statistisch bezien is echter nog geen sprake van een ontdekking van iets nieuws.
Een mogelijke vijfde natuurkundekracht
Waar is momenteel dan wel sprake van? De afwijking die gevonden is, heeft een significantie van ‘3 sigma’: een kans van ongeveer 1 op de 333 dat het om een toevalstreffer gaat. In de experimentele deeltjesfysica spreekt men in dat geval van een ‘aanwijzing’ of ‘evidence’. Voor een ontdekking geldt echter een grenswaarde van ‘5 sigma’ – een kans op toeval van ongeveer 1 op de 3,3 miljoen – en daar is dus nog meer onderzoek voor nodig.
LHCb physics coördinator Niels Tuning van het Nikhef: "Het spannende van een dergelijke afwijking is dat het nog alle kanten op kan: beweegt het resultaat richting het Standaardmodel of richting een ontdekking, als later dit jaar een tweede meting wordt toegevoegd?"
Wat is er precies gevonden?
De afwijking die is gemeten, draait om het verschil tussen krachten die verschillende elementaire deeltjes voelen. Volgens het Standaardmodel zouden de krachten identiek (“universeel”) moeten zijn. De waarneming van de LHCb-onderzoekers suggereert echter dat er een verschil is. Dat verschil kan mogelijk verklaard worden door de invloed van een nog onontdekte, vijfde natuurkundekracht.
Lees de volledige uitleg bij Nikhef (Nederlands) of LHCb (Engels)
Ook zeer zeldzaam deeltjesverval gemeten
CERN deelde op 23 maart nog meer spannend nieuws. LHCb-onderzoekers zijn er namelijk ook in geslaagd om een zeer zeldzaam deeltjesverval te meten. Slechts één op de drie miljard zogenaamde ‘Bs mesonen’ vervalt naar twee muonen, een ander soort deeltjes: daarmee is het het zeldzaamste verval ooit gemeten bij de Large Hadron Collider.
Dergelijke metingen fungeren als lakmoestest voor het Standaardmodel, en bieden mogelijk verdere aanwijzingen voor de aard van zo’n vijfde natuurkundekracht. De zoektocht naar nóg zeldzamere vervallen wordt dan ook onverminderd enthousiast voortgezet. Het onderzoek bevat belangrijke bijdrages van Nikhef/UM-onderzoekers Silvia Ferreres en Jacco de Vries, en van CERN-fellow Mick Mulder.
Universitair docent Jacco de Vries: "Om zo’n zeldzaam verval te kunnen meten, moeten alle stappen van de analyse zorgvuldig gekalibreerd worden - daar zijn we de laatste jaren druk bezig mee geweest.” Promovenda Silvia Ferreres vult aan: "Twee jaar hard werken aan de kalibraties was helemaal de moeite waard! Dat we alle puzzelstukjes samenleggen en dan zo’n prachtig resultaat zien, is een droom die uitkomt."
Hoe nu verder – en wat dan nog?
Naar verwachting kan in de loop van het jaar meer worden gezegd over het bestaan van de afwijking van het Standaardmodel en de eventuele aard daarvan. Het LHCb-experiment doet hiervoor meerdere analyses. Verder is van belang dat de metingen ook door andere experimenten bevestigd worden: twee andere experimenten op de Large Hadron Collider, CMS en ATLAS, zijn ook betrokken. Binnenkort sluit verder het Japanse Belle II-experiment aan.
Als het bestaan van een vijfde natuurkundekracht bevestigd wordt, brengt dat ons begrip van het ontstaan van het universum dichterbij. Deze nieuwe kracht kan mogelijk een belangrijke rol gespeeld hebben in het vroege universum.
Relevant links
Gravitational Waves and Fundamental Physics
Particle Physics research at UM
Met dank aan Nikhef voor de quotes in dit artikel.
Lees ook
-
Onder de naam ‘Terra’ heeft Albert Heijn een 100 procent plantaardige productenlijn geïntroduceerd, met zo’n tweehonderd verschillende voedingswaren, variërend van dranken tot broodbeleg en vleesvervangers. Hoe duurzaam en gezond zijn die producten?
-
Smaak en mondgevoel beter begrijpen
-
De mens staat niet bovenaan de evolutie, aldus Jose Joordens
