Raadsel dat natuurkundigen al jaren hoofdbrekens bezorgt, lijkt eindelijk opgelost

Jarenlang leek er iets niet te kloppen aan ons begrip van de fundamentele natuurkunde. Onderzoekers die berekenden hoe een bepaald elementair deeltje zich zou moeten gedragen, kwamen op andere getallen uit dan de collega’s die dat deeltje in hun laboratorium aan het meten waren. En dat verschil was groot genoeg om natuurkundigen te laten dromen van een nieuwe theorie van de natuur die we nog moeten ontdekken. In het vakblad Nature hebben wetenschappers nu beschreven hoe de vork echt in de steel zit.

Het gaat over een deeltje dat een ‘muon’ heet. Dat is het zwaardere broertje van het elektron. Een muon is ongeveer 207 keer zo zwaar als een elektron en leeft heel kort, maar heeft verder veelal dezelfde eigenschappen. Net als een elektron draagt het bijvoorbeeld een eigen piepklein magnetisch veld met zich mee.

Hoe sterk dat magnetisch veld precies is, daar gaat dit hele verhaal over. In 1928 bedacht de Britse natuurkundige Paul Dirac een formule die voorspelde hoe sterk het magneetje zou moeten zijn. Maar later bleek dat het echte getal een heel klein beetje afwijkt van wat Dirac dacht.
Die kleine afwijking is goed te verklaren. Een muon zweeft niet alleen in een perfecte leegte rond. In de leegte ontstaan voortdurend piepkleine virtuele deeltjes die heel even bestaan en dan weer verdwijnen. Dat beïnvloedt het magneetje van het muon een klein beetje.

Waarom dat muon zo belangrijk is

Als er ergens in de natuur onbekende deeltjes bestaan, bijvoorbeeld vormen van materie die we nog nooit ontdekt hebben, dan zouden die ook heel even tevoorschijn ploppen rondom het muon. Die onbekende deeltjes zouden dan een piepklein extra duwtje geven aan dat magneetje. Door heel precies te meten hoe sterk het magnetisch veld van een muon is en dat te vergelijken met wat alle bekende deeltjes zouden moeten veroorzaken, kunnen natuurkundigen dus in feite speuren naar nieuwe natuurkunde.

Het mysterie

Sinds begin jaren 2000 leek er iets vreemds aan de hand. Metingen in laboratoria wezen op een bepaalde waarde. Maar als natuurkundigen met pen, papier en computers uitrekenden wat die waarde volgens de bestaande theorie zou moeten zijn, kwamen ze op iets anders uit. Het verschil was klein, maar zo consistent dat het niet aan toeval kon liggen. Veel wetenschappers begonnen te denken dat ze op het spoor zaten van iets groots, iets dat voorbij de huidige natuurkunde zou liggen.

Het probleem zat ‘m vooral in de invloed van de sterke kernkracht. Dat is de kracht die de allerkleinste bouwstenen, de quarks, bij elkaar houdt in protonen en neutronen. Die kracht laat zich notoir moeilijk berekenen.

Leestip: Wiskundigen gebruiken ‘vergeten deeltjes’ om kwantumcomputer nieuw leven in te blazen

Hoe ze het opgelost hebben

De auteurs van deze studie, een groep onderzoekers uit onder meer Duitsland, Frankrijk, het Verenigd Koninkrijk, de Verenigde Staten en Australië, hebben een supercomputer gebruikt om berekeningen uit te voeren waarin ze de ruimte en tijd opknippen in een soort driedimensionaal rasterwerk. Op dat raster konden ze vervolgens simuleren hoe die sterke kracht zich gedraagt.

De groep had in 2020 al een eerste versie van deze berekening gepubliceerd. Toen was de onzekerheid van het resultaat echter nog groot. Nu zijn ze met een nog fijner raster aan de slag gegaan. Ze hebben hun nieuwe uitkomst daarnaast gecombineerd met metingen uit experimenten waar vergelijkbare deeltjes tegen elkaar werden geknald. Voor de stukken van de berekening waar deze aanpak moeilijk was, gebruikten ze die botsingsexperimenten; voor de delen waar de experimenten juist tegen hun grenzen liepen, namen ze de rastersimulatie.

Hun voorspelling en de daadwerkelijk gemeten waarde blijken nu zo dicht bij elkaar te liggen dat er feitelijk geen verschil meer over is. We hebben het over een overeenkomst die nauwkeurig is tot op elf decimalen.

En nu?

Voor sommige natuurkundigen is dit een domper. Die hadden namelijk gehoopt dat het muon ons op het spoor van compleet nieuwe deeltjes of krachten zou zetten. Maar het is ook een mooie bevestiging van het zogenaamde ‘standaardmodel’ van de deeltjesfysica, de grote theorie die beschrijft hoe (bijna) alles op het allerkleinste niveau werkt.

Hiermee is het verhaal niet helemaal afgelopen. Er zijn nog nieuwe metingen op komst bij onder meer het Japanse J-PARC-laboratorium, waar ze met een totaal andere techniek opnieuw naar het muon gaan kijken. Ook aan de theoriekant zullen andere onderzoeksgroepen de nieuwe berekeningen willen natrekken en verbeteren.

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Recordbrekend kosmisch deeltje is 110 biljard (!) keer zo energierijk als een lichtdeeltje en Gloednieuw hoog-energetisch deeltje valt op de aarde en wetenschappers hebben geen idee waar het vandaan komt (of wat het precies is). Of lees dit artikel: Is het heelal toch asymmetrisch? Nieuwe studie zet fundamentele aannames van de kosmologie op losse schroeven.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: