Spring naar inhoud

Mysterieuze muonen: supersymmetrie of rekenfout?

De nieuwe resultaten van het Amerikaanse Fermilab hebben het bewijs versterkt dat er iets ontbreekt aan het standaardmodel van de deeltjesfysica. Wat voor deeltje of kracht zou aan het model moeten worden toegevoegd? Of maakt een nieuwe berekening zo’n toevoeging toch nog overbodig?

‘Vandaag is een buitengewone dag, waar lang op is gewacht; niet alleen door ons, maar door de hele internationale fysicagemeenschap.’ Dit zei natuurkundige Graziano Venanzoni, woordvoerder van het muon g – 2- experiment, woensdag tijdens de bekendmaking van de resultaten

Deeltjesfysici moesten inderdaad lang geduld uitoefenen. Vijftien jaar geleden werd in het Brookhaven-lab al bewijs gevonden dat rondtollende muonen zich anders gedragen dan het standaardmodel voorspelt. Maar dat resultaat is altijd met argusogen bekeken.

Benieuwd hoe het nou zit met die rondtollende muonen? In dit artikel lees je hoe het experiment werkt.

‘Er was altijd wantrouwen over die eerste meting, vooral vanwege de grote consequenties ervan’, zegt deeltjesfysicus Freya Blekman van de VU Brussel, werkzaam bij CERN in Genève. ‘Dat die meting nu eindelijk bevestigd is, is indrukwekkend. Het is een fantastisch resultaat.’

Wederom hoger

Het gaat allemaal om de ‘g – 2’: een getal dat de sterkte aangeeft van het magneetveld dat een draaiend muon opwekt. Uit de nieuwe meting volgt een waarde van 0,00116592061. Dat is wederom hoger dan de door het standaardmodel voorspelde waarde van 0,00116591810.

De g – 2-waarde van het Fermilab-experiment is iets lager dan die van het oude experiment, maar ligt nog altijd ruim boven de voorspelling van het standaardmodel. De gekleurde gebieden geven de foutmarges aan van de voorspelde waarde en de waarde die volgt uit de combinatie van beide metingen. Beeld: Ryan Postel, Fermilab/Muon g-2 collaboration

De nieuwe waarde is wel iets lager dan die uit 2006, maar dat is volgens Blekman niet verontrustend. ‘In deeltjesfysica ligt een eerste meting vaak iets hoger, omdat je een hogere afwijking makkelijker ziet’, zegt ze. ‘Daarnaast zijn twee metingen nooit helemaal hetzelfde. Het gaat erom dat ze statistisch consistent zijn met elkaar. De echte waarde zal grofweg ergens tussen de twee in liggen.’

Spannende sigma

Bij de onthulling van de resultaten keken deeltjesfysici vooral vol spanning naar de ‘sigma’. Dit getal geeft aan hoe groot de kans is dat de gemeten afwijking slechts een toevalligheid is. Hoe groter de sigma, hoe kleiner die kans. Bij 5 sigma spreken deeltjesfysici van een ontdekking.

De oude meting lag op 3,7 sigma. Het nieuwe resultaat heeft een vergelijkbare nauwkeurigheid. Maar wanneer je beide resultaten combineert, kom je uit op een sigma van 4,2. De kans dat beide afwijkingen op toeval berusten, is daarmee nog maar 1 op 40.000.  

En dan hebben de Fermilab-onderzoekers alleen nog maar de pakweg acht miljard muonen van de eerste run van het experiment bestudeerd. Inmiddels zijn er in een tweede en derde run al veel meer muonen door de ringvormige buis gejakkerd. Bovendien is een vierde run bezig, en staat een vijfde gepland.   

In het nieuwe resultaat zijn nog lang niet alle muonen meegenomen die door de ring zijn gejakkerd, en bovendien zullen er nog vele volgen. Beeld: Reidar Hahn

‘Tot nu toe hebben we minder dan 6 procent geanalyseerd van alle gegevens die het experiment uiteindelijk zal verzamelen’, zegt Fermilab-wetenschapper Chris Polly. Dat geeft hoop dat het experiment uiteindelijk de gedroomde 5 sigma kan bereiken. En dan moet het standaardmodel echt op de schop.

Supersymmetrie

Het is nog onduidelijk wat voor nieuw deeltje of nieuwe kracht er dan in het leven zou moeten worden geroepen. Het Fermilab-experiment laat alleen zien dat er iets aan het standaardmodel ontbreekt, maar niet wát er precies ontbreekt. Wel geven de resultaten fysici wat meer houvast.

‘Na de ontdekking van het higgsdeeltje was het vooral blind zoeken naar iets nieuws’, zegt Blekman. ‘Nu vinden we steeds meer barsten in het standaardmodel, zodat we beter weten waarnaar we moeten zoeken; welke typen deeltjes wel kunnen bestaan en welke niet.’

Toch zijn er nog heel veel opties open. De dag na de bekendmaking verschenen online al tientallen artikelen van fysici die een verklaring aandragen voor de g – 2-afwijking. ‘Ik ben vooral benieuwd naar verklaringen die supersymmetrische deeltjes bevatten. Deze afwijking is daar best gevoelig voor’, zegt Blekman. ‘Die deeltjes zijn de laatste tijd wat uit de mode geraakt, maar nu komen ze misschien terug.’

Volgens Blekman zijn supersymmetrische deeltjes wel lastig te combineren met leptoquarks, de deeltjes waar het LHCb-experiment van CERN mogelijk bewijs voor heeft gevonden. Ze hoopt ook eigenlijk op een nog veel onverwachtere wending. ‘Iets totaal anders, wat niemand tot nu toe heeft bedacht, zou nog leuker zijn’, zegt ze.

De quark-kwestie

Niet iedereen is ervan overtuigd dat er een nieuw deeltje of nieuwe kracht moet worden ingevoerd. De experimenteel bepaalde waarde voor g – 2 staat nu weliswaar als een bijna voltooid huis, maar dat geldt minder voor de theoretische waarde waar die van afwijkt. Die waarde is erg lastig te berekenen, omdat je de invloed van alle ‘virtuele deeltjes’ die het muon in de ring tegenkomt moet bepalen. Vorig jaar is het getal door een groep fysici vastgelegd in een ‘consensus-artikel’ in Physical Review Letters.

Tegelijk met de onthulling van Fermilab verscheen woensdag echter in Nature een publicatie van fysici afkomstig uit Boedapest, Marseille en Wuppertal; ook wel het BMW-team genoemd. Met een nieuwe berekening komen ze uit op een hogere g – 2, wat de afwijking tussen theorie en experiment een stuk kleiner zou maken.

Het verschil zit hem in de bijdrage van quarks: uit nieuwe simulaties met supercomputers concludeert het BMW-team dat deze deeltjes meer invloed hebben op de rondtollende muonen dan voorheen gedacht. Als dat zo is, is er wellicht geen nieuw deeltje nodig om de afwijking te verklaren.

Andere gaten

Blekman twijfelt echter aan de nieuwe berekening. ‘Ze hebben een totaal andere methode gebruikt, met andere aannames. Daar is veel scepsis over; de review van het artikel duurde ook erg lang’, zegt ze. ‘Bovendien roept deze berekening problemen op bij het verklaren van andere metingen. Je komt dus van de regen in de drup. Je hebt misschien geen nieuw deeltje nodig, maar deze verklaring schiet weer andere gaten in het standaardmodel.’

Het is nu aan teams van theoretici om de nieuwe berekening na te lopen. Ondertussen werken teams van experimentalisten gestaag door aan het Fermilab-onderzoek. Blekman: ‘Zoals zo vaak in deeltjesfysica werken hier honderden mensen samen aan één project. Het is echt weer een mooi voorbeeld van big science.’  

Dit bericht verscheen op 8 april 2021 op de website van New Scientist.

Gepubliceerd inNieuwsberichten
%d bloggers liken dit: