Een meting van de massa van het W-boson, een elementair deeltje, in 2022 dreigde de deeltjesfysica op z’n kop te zetten. Maar nieuwe resultaten van de Europese onderzoeksorganisatie CERN wijzen erop dat het oude vertrouwde standaardmodel toch gelijk had.
Een spannend meetresultaat dat afweek van de theoretische voorspellingen en daarmee het standaardmodel van deeltjesfysica tartte, houdt volgens nieuwe resultaten van CERN’s deeltjesversneller, de Large Hadron Collider (LHC), geen stand.
Hoewel het spannende resultaat leidde tot een stortvloed aan ideeën over nieuwe deeltjes en aanpassingen aan het standaardmodel die de afwijking zouden kunnen verklaren, stapelen de aanwijzingen dat het resultaat misschien niet klopt zich ook op.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Ietsje te zwaar
In 2022 ontdekten onderzoekers, bij het analyseren van oude metingen van de nu gesloten Tevatron-deeltjesversneller van het Fermilab bij Chicago, dat een fundamenteel deeltje, genaamd het W-boson, een piepklein beetje zwaarder leek te zijn dan voorspeld door het standaardmodel. Ze ontdekten dat het een massa had van 80,4335 giga-elektronvolt. Dat is ongeveer zo zwaar als een kryptonatoom. Dit terwijl de algemeen aanvaarde massa voor het W-boson 80,379 giga-elektronvolt is.
Op het moment dat dit Tevatron-resultaat bekend werd, was de onderzoeksgroep van de ATLAS-detector op CERN net bezig met het opnieuw analyseren van hun eigen metingen, die tot dan toe altijd overeenkwamen met het standaardmodel. Die analyse bestond uit het in kaart brengen van de trajecten van verschillende deeltjes die geproduceerd waren bij de botsingen tussen twee bundels protonen (waterstofkernen) die versneld zijn in de LHC.
De CERN-onderzoekers gebruikten voor deze analyse een nauwkeurigere methode dan voorheen. De methode was verbeterd dankzij een beter begrip van zowel de betrokken deeltjes als de metingen zelf. De zorgvuldige (her)analyse was enkele jaren werk.
‘De metingen moeten tot op 0,01 procent nauwkeurig zijn. Dat is het moeilijke gedeelte: om het zo precies te krijgen’, zegt Matthias Schott, van de ATLAS-onderzoeksgroep. ‘We meten de trajecten van de deeltjes met grote detectoren van enkele meters lang, en we moeten die trajecten op micrometerniveau begrijpen.’
Buitenbeentje
De CERN-onderzoekers vonden voor het W-boson een massa van 80,360 giga-elektronvolt. Dat is in lijn met de voorspelde massa van het standaardmodel en alle eerdere metingen. Maar het is in strijd met het resultaat van de Tevatron-deeltjesversneller.
‘Het is moeilijk te zeggen wat er aan de hand is met het Tevatron-resultaat. Maar wat je ziet, is dat alle andere metingen min of meer met elkaar in lijn zijn en dat het echt een buitenbeentje is’, zegt Monica Dunford, een ander lid van het ATLAS-team. ‘Dat kan komen door een systematische fout, of door de meetgegevens. We weten het gewoon niet.’
Ashutosh Kotwal van de Duke-universiteit in North Carolina, die het Tevatron-onderzoek leidde, zegt dat dit werk van de ATLAS-onderzoekers hem niet doet twijfelen aan het resultaat van zijn team. ‘Hoewel ik uitkijk naar uitgebreide discussies over de analysemethode van de ATLAS-onderzoekers, sta ik achter de Tevatron-resultaten’, zegt hij. ‘We hebben nieuwe analyses en een frisse blik op nieuwe data nodig.’ Omdat het ATLAS-werk een heranalyse is van oude gegevens, is het niet verwonderlijk dat het een soortgelijk resultaat opleverde, zegt hij.
Nieuwe theorie
Maar aangezien verschillende andere teams experimenten hebben uitgevoerd die overeenkomen met de ATLAS-meting, hebben ook de ATLAS-onderzoekers vertrouwen in hun resultaat. ‘Het mooie aan deze precisiemetingen is dat hoe nauwkeuriger ze worden, hoe minder bewegingsruimte je hebt op andere gebieden’, zegt Dunford. ‘We weten dat het standaardmodel niet compleet is, omdat er veel dingen zijn die het niet kan verklaren, zoals donkere materie, maar dit betekent dat elke nieuwe natuurkundige theorie die we bedenken om die dingen te verklaren, ook moet voldoen aan deze nieuwe nauwkeurige meting van de W-bosonmassa.’
De ATLAS-onderzoekers analyseren nu nieuwe gegevens uit 2018 en andere onderzoeksgroepen bij CERN werken ook aan hun eigen metingen. Voorlopig is de opwinding over de Tevatron-meting echter getemperd en het lijkt erop dat het standaardmodel de beste beschrijving blijft van de deeltjesfysica. ‘Helaas is het tot nu toe bij de LHC hetzelfde verhaal – het standaardmodel werkt veel te goed’, zegt Schott.
