Je leest:

Sporen van een vijfde natuurkracht

Sporen van een vijfde natuurkracht

Hongaarse wetenschappers vinden mogelijk een nieuw ‘krachtdeeltje’

Wetenschappers uit het Hongaarse Debrecen zeggen dat ze misschien een nieuw krachtdeeltje op het spoor zijn. De basis voor hun claim is de ongebruikelijke hoek waarmee twee elementaire deeltjes in hun experiment wegspringen. NEMO Kennislink spreekt met natuurkundige Tjeerd Ketel die betrokken was bij het onderzoek. Gloort er inderdaad nieuwe fysica?

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.

Verval
Links het verval van een atoomkern beryllium-8, dat via het uitzenden van een hoogenergetisch foton een elektron-positron-paar vormt. Rechts hetzelfde verval via een vermeend nieuw ‘x-boson’. Doordat het boson met een ‘lage’ snelheid van de kern wegvliegt wordt het elektron-positron-paar uiteindelijk onder een grotere hoek uitgezonden.
Roel van der Heijden

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 Proton 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.”

20160622 113828
De deeltjesversneller in het laboratorium van het Nationaal instituut voor subatomaire fysica in het Hongaarse Debrecen. Een bundel protonen komt uit een versneller rechtsachter. Meer op de voorgrond zijn de detectors te zien die in een cirkel rondom een doelwit van lithium zijn geplaatst (achter de witte cirkel).
Tjeerd Ketel

Detectors rondom het lithiumdoelwit vangen uiteindelijk de gemaakte elektronen en positronen op en bepalen de hoek waaronder ze zijn uitgezonden. Belangrijk is om te beseffen dat deze deeltjes in dit experiment de enige meting vormen. Wat er precies gebeurt tussen het terugvallen van de berylliumkernen en de detectie van de uitgezonden deeltjes is door de gemeten afwijking onduidelijk. Precies daar zou ‘ruimte’ zijn voor een nieuw deeltje, een boson dat uiteindelijk óók vervalt naar een elektron en positron maar onder een andere hoek.

Geen compleet experiment

Ondanks dat simulaties laten zien dat er af en toe een krachtdeeltje zou kunnen ontstaan zegt Ketel toe dat dit specifieke experiment hier eigenlijk geen uitsluitsel over kan geven. “Het zijn erg lastige experimenten, afwijkingen in detectors kunnen makkelijk voor verstoringen zorgen, maar er is de afgelopen jaren veel verbeterd wat dat betreft”, zegt hij. “Toch is het experiment eigenlijk niet ‘volledig’, in de zin dat we niet kunnen zeggen dat het hier om een boson gaat. Deze resultaten zijn wat mij betreft meer een teken dat we eens goed verder moeten kijken wat hier nu aan de hand is.”

Ketel legt uit waar het signaal nog meer afkomstig van kan zijn. “Rond het energieniveau waarmee we werken hebben lichte atoomkernen vaak zogenoemde resonanties”, zegt hij. “Zie het als bewegingen van alle kerndeeltjes die met een specifieke hoge frequentie trillen. Daar komt bij dat we in dit experiment de kern beschieten met een proton, wat weer een nieuwe resonantietrilling oplevert. Het zou kunnen dat dit als het ware reageert met de eerder genoemde resonantie en voor afwijkend gedrag zorgt.”

Nederlands begin

De grillige zoektocht naar misschien wel nieuwe stukjes van het standaardmodel hebben, naast de betrokkenheid van natuurkundige Tjeerd Ketel, een Nederlandse oorsprong. Zo’n twintig jaar geleden waren het onder meer de Nederlanders Fokke de Boer, Rene van Dantzig en Johan van Klinken die afwijkingen in de hoeken van elektron-positron-paren op het spoor kwamen bij het Nikhef en het Kernfysisch Versneller Instituut in Groningen. Niet alleen bij beryllium, maar bij verschillende lichte atomen. “Dat leverde overigens steeds weer (mogelijke) bosonen op met een andere massa”, zegt Ketel. “Waar iedereen wat dat betreft een beetje nerveus werd, vond Fokke de Boer het prachtig. Hij werd daar alleen maar enthousiaster van, ook al waren de experimenten soms lastig te reproduceren.”

Na het overlijden van De Boer in 2010, gingen de Hongaren door het met onderzoek. Deze nieuwe experimenten kunnen gezien worden als vervolgonderzoek van het eerdere werk.

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.”

Bulletcluster
Dit sterrenstelsel leverde een bewijs voor donkere materie, een belangrijk openstaand ‘mysterie’ in de astronomie. Er zijn wat dat betreft nog genoeg openstaande vragen die lijken aan te geven dat er meer natuurkunde voorbij het standaardmodel is.

Zijn we een nieuw krachtdeeltje op het spoor, en daarmee misschien wel een vijfde natuurkracht? Het is nog te vroeg om dat te zeggen. Als er inderdaad sprake is van een nieuw boson en nieuwe natuurkracht dan zou het volgens de Amerikaanse theoretici gaan om een erg zwakke kracht. Op protonen zou het vrijwel geen invloed hebben, en met neutronen heeft het slechts een kleine interactie.

Ongeacht deze resultaten is het in ieder geval waarschijnlijk dat er meer natuurkunde voorbij het standaardmodel is. In zekere zin zou een nieuwe natuurkracht eigenlijk wel ‘van pas’ komen. Bijvoorbeeld voor het verklaren van donkere materie. Wetenschappers vermoeden dat er veel meer materie in sterrenstelsels moet zitten dan we nu kunnen waarnemen met telescopen. Veel astronomen en natuurkundigen gaan er daarom vanuit dat er meer deeltjes en/of krachten zijn dan het huidige standaardmodel aangeeft.

“Wij hebben overigens niet gezegd dat we een vijfde natuurkracht op het spoor zijn, dat waren de Amerikanen na ons”, benadrukt Ketel. “Maar als blijkt dat het straks daadwerkelijk een nieuw krachtdeeltje is dan wil je dat natuurlijk wel hebben genoemd.”

Bron

  • Krasznahorkay A. et al., Observation of Anomalous Internal Pair Creation in 8Be: A Possible Indication of a Light, Neutral Boson, Physical Review Letters (29 januari 2016), DOI:10.1103/PhysRevLett.116.042501
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 juni 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE