Onlangs bleek dat het W-boson waarschijnlijk zwaarder is dan gedacht. Om die schokkende meting te verklaren, hebben natuurkundigen allerlei exotische nieuwe deeltjes bedacht, waaronder technicolor en lijmbal-higgsdeeltjes.

Op 7 april onthulden onderzoekers een nieuwe analyse van metingen die waren verricht met de inmiddels gepensioneerde Tevatron-deeltjesversneller bij Chicago. Uit hun werk bleek dat de massa van het W-boson groter is dan het standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt. Het was een schokkend resultaat, dat hintte op het bestaan van nog onbekende deeltjes. Inmiddels zijn er tal van ideeën opgeworpen over dergelijke nieuwe deeltjes.

Het W-boson is een van de deeltjes die de zwakke kernkracht overdragen. Daarnaast speelt het W-boson een rol bij interacties tussen neutrino’s en andere subatomaire deeltjes.

De dans van de reuzen
LEES OOK
De dans van de reuzen

Voorafgaand aan de Tevatron-analyse gaven alle massametingen van het W-boson een waarde rond de 80,379 giga-elektronvolt. De nieuwe analyse geeft echter een massa van 80,4335 giga-elektronvolt. Het verschil met de oude waarde heeft een statistische significantie van 5 sigma. Dat betekent dat als de oude waarde juist is, er een kans van ongeveer 1 op 3,5 miljoen is dat deze nieuwe waarde bij toeval is gevonden. Na een decennium van gegevensanalyse door het Tevatron-team is dit een van de nauwkeurigste deeltjesmetingen ooit.

Extra higgsdeeltjes

De opvallend hoge massa van het W-boson wijst erop dat het standaardmodel van de deeltjesfysica op een bepaald punt niet klopt. Dit is in zekere zin schokkend, omdat het standaardmodel tot dusver buitengewoon nauwkeurig is geweest in zijn voorspellingen. Anderzijds is het niet per se verrassend, want we dachten al wel dat de theorie onvolledig is. Zo bevat het standaardmodel geen verklaring voor donkere materie of voor het overschot aan materie boven antimaterie in het universum. Het model kan zelfs de zwaartekracht niet verklaren.

Lees ook: ‘Te zwaar’ W-boson kan deeltjesfysica op z’n kop zetten

Sinds de bekendmaking van de Tevatron-resultaten hebben deeltjesfysici tal van artikelen geproduceerd waarin ze uiteenzetten hoe het standaardmodel kan worden aangepast of uitgebreid om rekening te houden met een zwaarder W-boson. ‘We merken dat het verrassend eenvoudig is om het model op dit verschil af te stemmen’, zegt deeltjesfysicus Ramona Gröber van de Universiteit van Padua in Italië. ‘In eerdere gevallen was het veel moeilijker om afwijkende metingen te verklaren.’

Bij veel van de voorgestelde verklaringen gaat het om het toevoegen van een extra higgsdeeltje. Dat is het fundamentele deeltje dat hoort bij het higgsveld, het veld dat deeltjes zoals het W-boson van massa voorziet. ‘Zelfs een simpele verandering als het toevoegen van een tweede higgsboson kan de waargenomen waarde verklaren’, zegt deeltjesfysicus Ashutosh Kotwal van de Duke-Universiteit in North Carolina, die deel uitmaakte van het Tevatron-team. ‘Er zijn grootse en eenvoudige oplossingen. De eenvoudigste vind ik het intrigerendst.’

Technicolor en lijmbal

De diverse extra higgsdeeltjes die zijn voorgesteld, hebben allerlei eigenschappen waarin ze verschillen van het bekende higgsdeeltje. Sommige hebben een elektrische lading, waar het gewone higgsdeeltje neutraal geladen is. Andere zijn opgebouwd uit nog kleinere deeltjes. In sommige modellen zijn dat bekende deeltjes, zoals gluonen die samen een zogeheten lijmbalhiggsdeeltje vormen. In andere modellen zijn die bouwstenen op zichzelf ook nieuwe deeltjes, bijvoorbeeld zogeheten techniquarks die samen een ‘technicolor-higgsdeeltje’ vormen. In al deze modellen gaan de nieuwe higgsdeeltjes gepaard met nieuwe velden, die het W-boson extra massa geven.

Veel van de voorgestelde modellen proberen ook andere open vragen in de deeltjesfysica te beantwoorden. Zo is er een populair model dat rekening houdt met de extra massa van het W-boson door een nieuw type deeltje toe te voegen, het leptoquark. Dat leptoquark zou ook een ander groot mysterie in de deeltjesfysica kunnen verklaren: de ‘g – 2-afwijking’ van muonen, die voortkomt uit het feit dat muonen sneller lijken rond te draaien dan het standaardmodel voorspelt. Daarnaast zouden sommige van de voorgestelde deeltjes ook de deeltjes kunnen zijn waaruit donkere materie is opgebouwd.

Supersymmetrie

Soms wordt er zelfs een scala aan mogelijke nieuwe deeltjes voorgesteld. Zo zouden supersymmetrische deeltjes, ook wel sparticles genoemd, in één klap een verklaring bieden voor een zwaarder W-boson, de g – 2-afwijking van muonen en het mysterie waarom elementaire deeltjes in het algemeen de massa’s hebben die ze hebben.

Lees ook: Mysterieuze muonen: supersymmetrie of rekenfout?

‘We verwachten dat de nieuwe deeltjes die de theorie van supersymmetrie voorspelt, iets zwaarder zijn dan het higgsdeeltje’, zegt deeltjesfysicus Peter Athron van de Monash Universiteit in Australië. Het higgsdeeltje zit qua massa aan de bovengrens van de deeltjes die de Large Hadron Collider (LHC), de grootste deeltjesversneller ter wereld, kan creëren. Dit zou verklaren waarom we supersymmetrische deeltjes nog nooit hebben waargenomen.

Voorbarig

Het doorspitten van alle ideeën vergt veel tijd, experimenten en, in sommige gevallen, een nieuwe generatie deeltjesversnellers. ‘Alleen een nieuwe massa van het W-boson zal niet afdoende zijn om een nieuwe theorie over de natuur te kiezen’, zegt natuurkundige Francesco Sannino van de Universiteit van Zuid-Denemarken.

Maar voordat natuurkundigen op zoek gaan naar nieuwe deeltjes en een nieuwe natuurtheorie, zullen ze de Tevatron-metingen nog eens grondig moeten controleren. ‘Het is voorbarig om nu al aan nieuwe natuurkunde te denken, voordat we hebben uitgezocht waarom deze meting afwijkt van andere metingen’, zegt deeltjesfysicus Matthias Schott van het onderzoeksinstituut CERN bij Genève, die werkte aan een eerdere W-bosonmeting met de LHC. ‘Nieuwe deeltjes vormen natuurlijk een veel coolere verklaring, maar alle andere metingen van de massa van het W-boson passen perfect bij elkaar, en alleen deze meting past niet.’

Schott en zijn collega’s bij CERN zijn al begonnen met het vergelijken van de nieuwe meting met gegevens van de LHC. Volgens Schott zouden ze in de komende zes maanden tot twee jaar resultaten moeten hebben. Het hangt van die resultaten af of de zoektocht naar nieuwe fysica kan worden voortgezet.