Natuurkunde
op stelten
Standaardmodel
in vraag gesteld - 09-02-2001
In
het Amerikaanse Brookhaven National Laboratory heeft men muonen, subatomaire
deeltjes, geobserveerd die gedrag vertonen dat zeer licht afwijkt
van wat theoretisch voorspeld werd. Daarmee denken de betrokken wetenschappers
te hebben aangetoond dat het Standaardmodel, dat de natuurkunde al
meer dan 30 jaar beheerst, niet langer houdbaar is.
Quarks,
leptonen en krachten
Zestig jaar geleden was de wereld nog heerlijk eenvoudig, althans
wat de aard van materie betreft. Het atoom was dan wel niet ondeelbaar
meer, met elektronen, protonen en neutronen als de elementaire bouwstenen
was natuurkunde nog een overzichtelijke wetenschap.
Daar kwam echter een einde aan toen de eerste deeltjesversnellers
werden ontwikkeld, die wetenschappers toestonden deeltjes te onderzoeken
door ze in een hoog-energetische toestand te brengen en dan na te
gaan wat er gebeurt als ze met elkaar in aanraking komen. Er bleken
heel wat meer subatomaire deeltjes te bestaan die gelijkaardig zijn
aan protonen en neutronen. Bovendien werd een geheel nieuwe deeltjesfamilie
ontdekt: de mesonen.
In 1964 sloegen Murray Gell-Mann en George Zweig erin orde in deze
chaos te scheppen door voor te stellen dat al deze nieuwe deeltjes
verklaard konden worden door het bestaan van slechts enkele soorten
nog kleinere deeltjes aan te nemen. Gell-Mann noemde ze quarks.
Dit idee groeide uit tot het Standaardmodel van Fundamentele Deeltjes
en Interacties , een natuurkundige theorie die alle elementaire deeltjes
en drie van de vier natuurkrachten in zich verenigt. De deeltjes waaruit
alle materie bestaat zijn dan zes soorten quarks en zes soorten leptonen.
Quarks worden nooit apart aangetroffen, maar verenigen zich tot baryonen,
bestaande uit 3 quarks, of mesonen, bestaande uit 1 quark en 1 antiquark.
Leptonen komen wel als solitaire deeltjes voor, en kunnen in twee
klassen verdeeld worden: geladen leptonen (elektron, muon, en tau)
en neutrino’s, vluchtige deeltjes zonder lading en met een nauwelijks
waarneembare massa die geassocieerd worden met de 3 soorten geladen
leptonen.
Op deze deeltjes werken 4 krachten in, waarvan er 3 in het Standaardmodel
zijn opgenomen. De elektromagnetische kracht bindt de elektronen aan
de kern en vormt zo elektrisch neutrale atomen. De sterke nucleaire
kracht houdt de quarks samen, en is dus verantwoordelijk voor de vorming
van hadronen. De zwakke nucleaire kracht is dan het enige proces dat
ervoor kan zorgen dat de ene soort quark (of lepton) in een andere
soort kan worden omgezet. Elk van deze krachten wordt bovendien gedragen
door alweer andere deeltjes: voor de elektromagnetische kracht het
foton, voor de sterke nucleaire kracht het gluon en de zwakke magnetische
kracht wordt gedragen door W en Z bosonen.
Maar heel deze constructie komt nu op losse schroeven te staan, want
Amerikaanse wetenschappers hebben muonen geobserveerd die zich niet
helemaal gedragen zoals het Standaardmodel dat voorspelt.
Voorbij
het Standaardmodel
Muonen, die net als elektronen in de categorie van de leptonen thuishoren,
maar ongeveer 207 maal massiever, zijn dus ook geladen deeltjes, die
als een kleine magneet functioneren. In het experiment in het Brookhaven
National Laboratory werd hun gedrag bestudeerd nadat ze, na hun creatie
in een deeltjesversneller, in een krachtig magnetisch veld worden
gebracht. Dat levert een schommeling op, en het is de magnitude van
deze schommeling die volgens het Standaardmodel kan worden berekend
én in het laboratorium ook zeer precies kan worden gemeten. Maar beide
resultaten verschilden van elkaar, en wel zo sterk dat de statistische
kans dat de theorie onterecht verworpen wordt maar 1% bedraagt. Meteen
is er een kans van 99% dat het Standaardmodel aan herziening toe is.
Niet dat deeltjesfysici dat meteen als een groot verlies beschouwen,
want niet iedereen was even gelukkig met het Standaardmodel. Het bleek
niet alleen onmogelijk de zwaartekracht erin te verwerken, ook wordt
vermoed dat een aantal logische inconsistenties de theorie bevlekken.
Bovendien vond niet iedereen ze even ‘mooi’ en wordt vermoed dat ze
nog niet tot op een voldoende diep niveau van de natuur doordringt.
Volgens de betrokken wetenschappers kan het verschil tussen theoretische
en empirische resultaten drie dingen betekenen. Ten eerste is het
mogelijk dat de waarnemingen kloppen, maar dat ook het Standaardmodel
correct is. Dat is dan die 1 % kans dat het hier om een toevallige
statistische fluctuatie gaat, die in werkelijkheid niets betekent.
Vermits de huidige resultaten gebaseerd zijn op waarnemingen die al
in 2000 werden gedaan, maar pas kort geleden werden verwerkt, hoopt
het team deze kans nog verder terug te dringen met verder onderzoek.
Ten tweede zou het Standaardmodel een lichte aanpassing nodig kunnen
hebben. Er is momenteel immers nog een kleine onzekerheidsmarge, maar
ook die zou door toekomstig onderzoek nog kleiner gemaakt moeten worden.
Tenslotte, en dat is de mogelijkheid die natuurkundigen het meest
opwindt, is er de mogelijkheid dat het Standaardmodel fout is, en
dat de empirische resultaten deze theorie falsificeren. En dit omdat
de schommeling van de muonen beïnvloed wordt door de aard van de ruimte.
De lege ruimte waarin de muonen werden geobserveerd wordt eigenlijk
beheerst door ‘virtuele deeltjes’ die zeer kortstondig opduiken en
weer verdwijnen, maar in deze korte tijdspanne met de muonen in interactie
kunnen treden.
Als het Standaardmodel fout is, moet naar een opvolger worden gezocht,
en er staat al een kandidaat klaar. Supersymmetrie heet deze nog zeer
speculatieve theorie, die stelt dat voor elk van de deeltjes die in
het Standaardmodel wordt erkend, nog een ‘supersymmetrische partner’
bestaat. Deze zouden totnogtoe onopgemerkt gebleven zijn omdat ze
nauwelijks interageren met de reeds bekende deeltjes. Een nieuwe generatie
deeltjesversnellers zou hier misschien opheldering kunnen brengen.
De eerste van deze apparaten wordt in de lente in gebruik genomen
in het Fermi National Accelerator Laboratory. Maar eerst zullen de
resultaten van het muonen-experiment aan nauwgezet onderzoek worden
onderworpen. Een model dat het al meer dan 30 jaar lang uithoudt gooi
je niet zo maar weg.
(DdV)
Related links:
Deeltjesfysica
Brookhaven
National Laboratory
©
David de Vaal
