Sporen van een vijfde natuurkracht

Al tientallen jaren is het standaardmodel van de deeltjesfysica dé theorie als het gaat om het beschrijven van de krachten en deeltjes in ons universum. Het verklaart talloze natuurkundige fenomenen, van kernfusie tot elektromagnetisme, van zwaartekracht tot antimaterie. Maar heel af en toe vinden wetenschappers sporen van nieuwe natuurkunde, van deeltjes en krachten die (nog) niet in het standaardmodel voorkomen.

Zo ook onderzoekers van het Instituut voor Nucleair Onderzoek in het Hongaarse Debrecen. Afgelopen januari publiceerden zij een artikel over een mogelijk nieuw krachtdeeltje dat ze op het spoor zouden zijn. En ondanks de publicatie in het gerespecteerde Physical Review Letters kreeg het artikel in eerste instantie niet veel aandacht. Dat veranderde in april, toen een groep Amerikaanse theoretisch natuurkundigen de metingen eens goed onder de loep namen en vergeleken met andere publicaties. Een nieuw artikel van hen, waarin zij spraken over een mogelijke nieuwe vijfde natuurkracht, deed meer wenkbrauwen optrekken.

Maar wat vonden ze? Het draait om het verval van zogenoemde ‘aangeslagen’ atoomkernen van beryllium. Wanneer deze van een toestand met een relatief hoge energie terugvallen naar de grondtoestand zenden ze een foton (lichtdeeltje) uit. Op zijn beurt kan dat lichtdeeltje veranderen in twee nieuwe deeltjes: een elektron en een positron. Tot zover nog geen nieuwe natuurkunde, maar wanneer wetenschappers met detectors kijken onder welke hoek deze deeltjes precies worden uitgezonden lijkt er iets bijzonders aan de hand te zijn. Het elektron-positron-paar heeft een vooralsnog onverklaarbare voorkeur om onder een bepaalde hoek uitgezonden te worden.

Nieuw krachtdeeltje

In een poging om hun metingen te verklaren stellen de Hongaren en Amerikanen nu dat er misschien niet áltijd een foton en elektron-positron-paar wordt uitgezonden door de berylliumkern. Er is misschien een nieuw en exotisch deeltje in het spel. Een zogenoemd boson, het type deeltje dat normaal gesproken verantwoordelijk is voor de overbrenging van een kracht. Zoals het eerder genoemde foton (elektromagnetische kracht) of het W- of Z-boson (zwakke kernkracht). Alleen heeft dít krachtdeeltje niet de eigenschappen van een van de bekende bosonen.

Het uitgezonden boson vervalt uiteindelijk óók naar een elektron-positron-paar, maar doordat het met een lagere snelheid van de kern wegvliegt vallen het elektron en het positron uiteindelijk met een andere hoek op de detectors. Zo ontstaat er de subtiele voorkeur voor een hoek van 140 graden. Althans, zo proberen de wetenschappers het resultaat te verklaren.

Simulaties van de wetenschappers laten zien dat het gaat om een krachtdeeltje met een massa van ongeveer zeventien MeV, wat hem 34 keer zwaarder maakt dan het elektron. Sommige wetenschappers speculeren dat het hier gaat over een zogenoemd ‘donker foton’, een krachtdeeltje dat zou zijn gekoppeld aan de grote hoeveelheden donkere materie dat zich in ons universum zou bevinden. Anderen zijn sceptisch.

Protonen afvuren

Een van de bij het onderzoek betrokken onderzoekers is een Nederlander. Tjeerd Ketel is natuurkundige bij het Nikhef, het Nationaal instituut voor subatomaire fysica. Officieel is hij al een paar jaar met pensioen, maar hij doet nog steeds onderzoek. Ketel vertelt aan de telefoon over de Hongaarse experimenten waar hij naar eigen zeggen zijdelings bij betrokken is geweest, wat hem overigens wel een plekje op de publicatie opleverde.

Met een deeltjesversneller worden protonen versneld en op een doelwit afgeschoten: een dunne film van lithium. Lithiumkernen kunnen daarbij een proton opnemen en veranderen daarbij in het element beryllium. Het nieuwe element heeft na deze reactie echter nog een energie-overschot. Via het uitzenden van een foton raakt het element zijn energie-overschot kwijt. “Dit is eigenlijk een relatief eenvoudige manier om lichtdeeltjes met een erg hoge energie te maken”, zegt Ketel. “Er is vervolgens een kans van ongeveer een duizendste dat het foton wordt omgezet in een elektron-positron-paar.”

Eerdere afwijkingen

De Hongaren proberen de experimenten nu te herhalen en afwijkingen die de afgelopen jaren werden gemeten te reproduceren. “Het gaat om afwijkingen bij energieën van negen en twaalf MeV, die jaren geleden al werden gemeten”, zegt Ketel. De onderzoeksgroep publiceerde hierover in 2008 en 2012. “Eigenlijk was de verwachting dat we dat óók in dit experiment zouden zien. We wilden alle anomalieën van zeventien MeV en lager als het ware meepakken in één experiment. Maar dat is niet gelukt. We zijn er nu op gebrand om die eerdere resultaten te reproduceren met verbeterde apparatuur.”