Extreem nauwkeurige metingen wekken de indruk dat het W-boson, een elementair deeltje, zwaarder is dan verwacht. Het resultaat tart het standaardmodel, de belangrijkste theorie in de deeltjesfysica.

Het W-boson is 0,1 procent zwaarder dan het standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt. Dat lijkt een verwaarloosbare afwijking. Toch kan dit de deeltjesfysica op z’n kop zetten, mits onafhankelijk onderzoek de metingen bevestigt. Als de massa echt afwijkt, dan wijst dat er namelijk op dat het standaardmodel niet compleet is. Dit kan betekenen dat er onontdekte krachten of deeltjes bestaan waardoor het nodig is om de huidige theorie te herschrijven.

‘Als het waar is, is het fantastisch’, zegt Freya Blekman, deeltjesfysicus bij DESY in Hamburg en CERN in Genève en niet betrokken bij de nieuwe meting. ‘Dan heeft het de potentie ons werkelijk verder te helpen in de zoektocht naar nieuwe deeltjes en krachten die niet in het standaardmodel zitten.’

Overheden moeten de lessen van zero-covid in hun achterhoofd houden
LEES OOK
Overheden moeten de lessen van zero-covid in hun achterhoofd houden

Gepensioneerde deeltjesversneller

Het W-boson, of W-deeltje, is een van de zeventien elementaire deeltjes in het standaardmodel. Het deeltje is verantwoordelijk voor bepaalde vormen van radioactief verval, waarbij een neutron in een atoomkern verandert in een proton.

De schokkende massameting van het W-deeltje komt van de Tevatron-deeltjesversneller van het Fermilab bij Chicago. Tot tien jaar geleden botsten hierin waterstofatoomkernen (protonen) met bijna de lichtsnelheid op hun antideeltjes (antiprotonen). Hierbij ontstaan andere deeltjes waaronder, in ruim vier miljoen gevallen, een W-boson.

W-bosonen bestaan maar kort. Ze vallen in een fractie van een seconde uit elkaar in andere elementaire deeltjes. Er is geen tijd om ze op de weegschaal te leggen. De onderzoekers bepaalden desondanks hun massa door heel nauwkeurig het spoor te meten van de deeltjes waarin het W-boson uit elkaar valt. Dit deden ze met de CDF-detector, een van de twee detectoren die de Tevatron-botsingen vastlegt.

Ongekend nauwkeurig

De Tevatron is sinds 2011 met pensioen, maar de enorme hoeveelheid data die hij voortbracht was nog niet volledig in detail geanalyseerd. Uit de nieuwe, ongekend nauwkeurige analyse van tien jaar aan CDF-metingen bleek dat het W-boson een massa heeft van 80.433,5 mega-elektronvolt. Dat is ongeveer zo zwaar als een kryptonatoom. De onzekerheid op deze meting is plusminus 9,4 mega-elektronvolt. Daarmee is de meting twee keer zo nauwkeurig als de voorheen meest precieze massameting.

De CDF-detector bij de Tevatron bij Fermilab. Beeld: Fermilab

De massabepaling is het resultaat van tien jaar van zorgvuldig werk. ‘Het aantal verbeteringen en extra controles dat in ons resultaat is gestopt, is enorm’, zegt Ashutosh Kotwal van de Duke Universiteit, die deze CDF-analyse leidde. Blekman: ‘Om deze nauwkeurigheid te halen moeten de onderzoekers elk onderdeel van hun gigantische en ingewikkelde detector tot op de allerlaatste snik begrijpen, kaliberen, afstellen, en dan bijhouden hoe het elke minuut verandert.’

Ook namen de onderzoekers in hun berekeningen de meest recente theoretische en experimentele kennis mee over de interacties van het W-boson met andere deeltjes. Ten slotte onthulden ze de gemeten waarde van de massa pas op het moment dat alle stappen en controles waren doorlopen. Dit deden ze om zeker te zijn dat ze hun analyses niet (onbewust) richting een bepaald resultaat zouden sturen. ‘Toen we de waarde onthulden, was het een verrassing’, zegt CDF-natuurkundige Chris Hays van de Universiteit van Oxford.

Volgens Blekman zien de metingen er robuust uit in de publicatie. Ze is nog wel nieuwsgierig naar alle details van de CDF-metingen. ‘In de publicatie staat relatief weinig informatie, gezien hoe ontzettend ingewikkeld dit onderzoek is. Maar ja, tien jaar werk samenvatten in een wetenschappelijk artikel van zeven pagina’s is ook niet gemakkelijk.’

Standaardmodel op de schop

Je verwacht het misschien niet, maar de meeste natuurkundigen staan te springen om metingen die het standaardmodel tarten. Het is namelijk bekend dat het standaardmodel niet compleet is. Zo geeft het geen verklaring voor de massa van de elementaire deeltjes genaamd neutrino’s. Daarnaast is er in het standaardmodel vooralsnog geen plek voor donkere materie, mysterieus spul waar astronomen bewijs voor denken te zien.

Een kleine afwijking in het standaardmodel, zelfs als het gaat om 0,1 procent in de massa van een deeltje, kan een tipje oplichten van de sluier waarachter nieuwe natuurkunde verborgen gaat. Dat komt doordat de wetten van de quantummechanica voorschrijven dat het gedrag van een enkel elementair deeltje beïnvloed wordt door allerlei andere deeltjes die in de buurt uit het niets verschijnen en razendsnel weer verdwijnen. Het effect daarvan moet je meenemen in je massaberekeningen. Als een nog onontdekt deeltje zich hiermee blijkt te bemoeien, kan dat die 0,1 procent afwijking verklaren.

‘Als de CDF-meting klopt, dan is die massa-afwijking eigenlijk alleen maar te verklaren met nieuwe deeltjes’, zegt Blekman. ‘Zoals bijvoorbeeld uit supersymmetrie of donkere materie.’

Welke nieuwe deeltjes dat kunnen zijn, is nog onbekend. Maar nu natuurkundigen steeds vaker kleine afwijkingen vinden, zoals ook vorig jaar in het muon g-2 experiment, lijkt een doorbraak dichterbij te komen. De weg daarnaartoe loopt nu over een pad van steeds nauwkeurigere metingen. Die zullen andere, onafhankelijke experimenten eerst moeten bewijzen, voordat de volgende stap gezet kan worden. Blekman: ‘Ik koop nog geen kaartje naar Stockholm. Dit is een resultaat wat zonder bevestiging van andere experimenten toch echt te goed lijkt om waar te zijn.’