Spookdeeltjes leiden mogelijk tot een barst in ons begrip van het universum

Natuurkundigen hebben mogelijk een barstje gevonden in het standaardmodel van de fysica. Dat volgt uit een analyse van verschillende experimenten die spookachtige deeltjes, zogeheten neutrino’s, detecteren.

Neutrino’s – ook wel bekend onder de bijnaam ‘spookdeeltjes’ – hebben mogelijk een barst blootgelegd in het model dat alle deeltjes en krachten in het universum beschrijft. Dit ‘standaardmodel van de deeltjesfysica’ is een van de grootste successen van de moderne natuurkunde. Maar natuurkundigen proberen het ook al tientallen jaren te weerleggen. Het model heeft namelijk ook tekortkomingen. Zo brengt het de zwaartekracht niet in verband met de drie andere fundamentele krachten die het beschrijft. Hierdoor vinden sommige onderzoekers dat er een ander, beter model voor in de plaats moet komen.

Als experimenten een barst in het standaardmodel blootleggen, kan dat een hint geven over waar natuurkundigen moeten beginnen met het bouwen van dit volgende model. Natuurkundige Francesca Dordei van het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica (INFN) en haar collega’s hebben nu mogelijk zo’n barst geïdentificeerd. Dit deden ze door het neutrino te bestuderen.

LEES OOK

Natuurkundige bepaalt afstanden met licht en elektronen

Als elektronen inslaan op een materiaal ontstaat er licht. Natuurkundige Evelijn Akerboom liet zien dat dit licht onthult hoe het materiaal er in 3D u ...

‘Alle controles van het standaardmodel die we de afgelopen twintig jaar hebben uitgevoerd, bevestigden steeds weer dat het model ijzersterk in elkaar zit. Dit betekent dat we nog nauwkeurigere resultaten moeten zien te krijgen. Neutrino’s zijn daarvoor bijzonder geschikt’, zegt Dordei.

Kleine geesten

Ten eerste hebben neutrino’s een ongelooflijk kleine massa – zo klein dat natuurkundigen ooit dachten dat ze helemaal geen massa hadden. Bovendien gaan ze nauwelijks interacties aan met andere deeltjes: ze vliegen onopgemerkt door objecten en lichamen heen, als kleine spookjes.

Zorgvuldig onderzoek heeft echter enkele elektromagnetische interacties aan het licht gebracht waaraan neutrino’s toch deelnemen. Deze interacties kunnen meetbaar worden gemaakt aan de hand van een getal dat de ‘ladingsradius’ wordt genoemd. Daarnaast kunnen neutrino’s interacties aangaan met andere deeltjes via de zwakke kernkracht.

Dordei en haar collega’s hebben de details van deze interacties en van de ladingsradius van neutrino’s onderzocht. Ze analyseerden verschillende experimenten die de afgelopen jaren naar deze ongrijpbare deeltjes speurden. Het team combineerde bijvoorbeeld waarnemingen van neutrino’s uit kernreactoren, deeltjesversnellers en fusieprocessen in de zon. Ook maakte het team gebruik van het feit dat sommige detectoren die zijn gebouwd om donkere materie waar te nemen – een mysterieuze goedje dat in het heelal verstopt zit – ook gevoelig zijn voor neutrino’s.

Natuurkundige Nicola Cargioli van INFN zegt dat het een uitdaging was om al deze gegevens samen te brengen. Maar het leverde een goed overzicht op van alles wat we weten over neutrino’s. ‘We hebben in feite alle beschikbare gegevens gebruikt’, zegt natuurkundige Christoph Ternes van het Gran Sasso-onderzoeksinstituut in Italië, die ook deel uitmaakte van het project.

Spannende ontdekking

De gemeten ladingsradius van neutrino’s week niet af van de voorspellingen van het standaardmodel. Maar de onderzoekers ontdekten wel iets spannends toen ze keken naar de zwakke interacties van het deeltje. Hier zagen ze een ‘wiskundige degeneratie’, wat betekent dat een iets ander model dezelfde waarnemingen had kunnen opleveren als het standaardmodel. Opvallend genoeg bleek uit verdere analyse dat dit alternatief voor het standaardmodel mogelijk zelfs iets beter bij de meetgegevens past. Dat kan een aanwijzing zijn voor de barst in het standaardmodel waar wetenschappers al zo lang naar zoeken.

De analyse heeft nog niet het niveau van een officiële ontdekking bereikt. Er is nog een kans dat het een toevalstreffer is, die bij vervolgonderzoek verdwijnt. De onderzoekers zien het daarom als een eerste stap in het testen van het standaardmodel door middel van neutrino’s. Ze hopen meer gegevens te verzamelen die hun huidige resultaten ondersteunen – of juist weerleggen – wanneer er de komende jaren nieuwe detectoren bij komen. Als de barst dan blijft bestaan, kan dat zeer grote gevolgen hebben.

‘Als we daadwerkelijk een barst hebben gevonden, moeten we misschien alles gaan heroverwegen’, zegt Cargioli. Een nieuw model dat verder gaat dan het standaardmodel zou bijvoorbeeld nieuwe soorten deeltjes kunnen bevatten.

Grote uitdaging

Deeltjesfysicus Omar Miranda van het Mexicaanse onderzoeksinstituut Cinvestav zegt dat het meten van neutrino-interacties – vooral bij een lage energie, zoals het geval is voor veel van de gegevens in deze studie – een grote uitdaging is. Bovendien is deze manier van meten pas sinds kort mogelijk dankzij de technologische vooruitgang die detectors hebben gemaakt. Dit heeft het belang van neutrino-onderzoek als test voor het standaardmodel echt kracht bijgezet, zegt Miranda.

De nieuwe analyse is een oproep aan natuurkundigen om in de toekomst meer nauwkeurige experimenten met neutrino’s uit te voeren, zegt fysicus José Valle van de Universiteit van Valencia in Spanje. Betere metingen van de elektromagnetische eigenschappen van neutrino’s zijn volgens hem ook nog steeds nodig, omdat deze bijvoorbeeld licht kunnen werpen op de interne structuur van neutrino’s.