Een experiment van het Amerikaanse Fermilab wijst er steeds meer op dat muonen sneller draaien dan verwacht. De resultaten zijn in strijd met het standaardmodel van de deeltjesfysica.

Het standaardmodel van de deeltjesfysica begint steeds grotere barsten te vertonen. Het muon, een elementair deeltje, is in 2021 al betrapt op vreemd gedrag. Nu blijkt uit nieuwe experimentele gegevens van het Fermilab bij Chicago dat het deeltje zich absoluut anders gedraagt dan het standaardmodel voorspelt. Dat kan betekenen dat er een onbekend deeltje en onbekende kracht in het spel zijn.

De afwijking is ontdekt met behulp van metingen van de snelheid waarmee muonen rondtollen wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld. Deze draaisnelheid, de zogeheten g-factor, hangt af van interacties tussen muonen en andere deeltjes. Als je rekening houdt met alle bestaande deeltjes en krachten in het standaardmodel, zou de g-factor precies 2 moeten zijn. Maar uit een reeks metingen die al in 2006 is gestart, volgt dat muonen net iets sneller lijken te draaien: met een g-factor van 2,002.

Waar bestaan hersenen eigenlijk uit?
LEES OOK

Waar bestaan hersenen eigenlijk uit?

Onderzoekers ontdekken om de zoveel tijd nog steeds nieuwe soorten cellen met interessante eigenschappen in het brein.

Virtuele deeltjes

In het Fermilab worden muonen met bijna de lichtsnelheid rond een magnetische ring geschoten. Tijdens die rondgang hebben ze interactie met allerlei virtuele deeltjes: deeltjes die door quantumeffecten voortdurend ontstaan en weer verdwijnen. Die interacties beïnvloeden de draaisnelheid van de muonen.

Die draaisnelheid wordt gemeten via de precessie van de deeltjes: de lichte wiebeling die de muonen vertonen terwijl ze ronddraaien. Natuurkundigen brengen deze precessie in kaart met een zogeheten wiggle plot. Op basis daarvan berekenen ze de g-factor.

Ontdekking?

De nieuwe metingen zijn nauwkeuriger dan alle eerdere metingen. De g-factor is nu gemeten met een precisie van 0,2 op een miljoen, oftewel 1 op 5 miljoen. Dat is twee keer zo nauwkeurig als de vorige reeks metingen van Fermilab, waarvan de resultaten in 2021 werden bekendgemaakt.

De metingen overstijgen daarmee het statistische betrouwbaarheidsniveau van 5 sigma. Op dat niveau is er een kans van ongeveer 1 op 3,5 miljoen dat deze metingen als statistische toevalstreffer opduiken en het standaardmodel wel correct is.

In de deeltjesfysica wordt een meting van 5 sigma beschouwd als een zekere ontdekking, in plaats van slechts een hint. In dit geval zijn natuurkundigen echter terughoudend om van een ontdekking te spreken, omdat er nog onzekerheid heerst over de precieze waarde van de g-factor die uit het standaardmodel volgt.

Nog niet ontdekt deeltje

Voor de analyse in 2021 waren alleen de in 2018 verzamelde gegevens beschikbaar. Het nieuwe onderzoek voegde daaraan de gegevens uit 2019 en 2020 toe, zodat het totale aantal waargenomen muonen meer dan verviervoudigde. Daarnaast is het experimentele protocol verbeterd, onder andere door stabilisatie van de muonenbundel en betere karakterisering van het magnetisch veld dat de muonen laat ronddraaien.

De onderzoekers zijn nu de gegevens van 2021 tot 2023 aan het verwerken. Die zullen worden gepresenteerd in hun definitieve, nauwkeurigste rapport over de g-factor. Naar verwachting zal dat in 2025 worden uitgebracht.

De bredere impact van deze metingen is nog onzeker, vooral omdat de g-factor van muonen niet goed wordt begrepen. Dat maakt het lastig om de verwachte waarde ervan exact uit te rekenen.

Als de discrepantie tussen theorie en waarnemingen ook na verbeterde berekeningen blijft bestaan, ontbreekt er hoogstwaarschijnlijk een of ander deeltje in het standaardmodel. Dat deeltje zou dan in het experiment als virtueel deeltje opduiken, waarna het zich via een nog niet ontdekte kracht met de muonen bemoeit, om vervolgens weer te verdwijnen. Er zijn nog preciezere metingen nodig om iets te kunnen zeggen over de eigenschappen van zo’n deeltje, als het al bestaat.