Is het een volstrekt onbekend deeltje? Of gewoon een toevallige uitschieter? Onderzoekers hebben een onverklaarbare piek gevonden in meetgegevens van de CMS-deeltjesdetector bij CERN.
De onderzoekers presenteerden hun resultaten vorige week aan collega’s van deeltjesinstituut CERN in Genève. Ook hebben ze een artikel over de mysterieuze piek ingediend bij het Journal of High Energy Physics.
Met de CMS-detector bestuderen fysici de brokstukken van deeltjesbotsingen in de LHC, de 27 kilometer lange deeltjesversneller. De gevonden piek laat zien dat er opvallend veel koppels van muonen zijn geproduceerd met een massa van 28 GeV (gigaelektronvolt, de energie-eenheid waarmee deeltjesfysici gek genoeg massa aanduiden). Muonen zelf zijn niet zo spectaculair, maar de piek zou kunnen wijzen op het bestaan van een deeltje met een massa van 28 GeV. Dat deeltje zou dan vervallen in deze muonenkoppels.
De geschiedenis van de wiskunde is diverser dan je denkt
Wiskunde is niet alleen afkomstig van de oude Grieken. Veel van onze kennis komt van elders, waaronder het oude China, India en het Arabisch Schiereil ...
Zo’n deeltje is nog nooit waargenomen. Sterker nog, het heeft niet eens een naam. ‘28 GeV is niet een plek waar je makkelijk een deeltje kunt invoegen’, zegt Freya Blekman, onderzoeker bij CMS. ‘Er zijn wel theorieën waarin zo’n deeltje voorkomt, maar ja, er zijn wel 40.000 verschillende theorieën.’
Teken aan de wand
Als het deeltje inderdaad bestaat, zou dat een compleet onverwachte uitbreiding zijn van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Dat is het model waarmee fysici alle deeltjes en krachten in het heelal beschrijven.
Maar voorzichtigheid is geboden. De onderzoekers bestudeerden gegevens van twee verschillende meetsessies: bij een totale botsingsenergie van 8 TeV en bij 13 TeV. Bij 8 TeV was de piek duidelijk te zien, bij 13 TeV een stuk minder duidelijk.
‘Dat is wel een teken aan de wand’, zegt Blekman. ‘Je zou verwachten dat de piek bij hogere energie groter is. Hij is niet verdwenen bij 13 TeV, maar wel minder groot.’
Yahtzee
Is er sprake van een toevallige uitschieter? Dat lijkt op het eerste gezicht onwaarschijnlijk. De kans dat de piek bij de 8 TeV-meting door toeval is ontstaan, is slechts 0,0013 procent – oftewel 1 op 77.000.
Maar hier ligt een veelgemaakte denkfout op de loer. 1 op 77.000 is de kans dat de onderzoekers op een vastgestelde plek – in dit geval bij 28 GeV – een dergelijke piek meten die door toeval is ontstaan. De onderzoekers keken echter niet alleen op die plek. Ze bestudeerden het hele gebied tussen 12 en 70 GeV. De kans dat ze ergens in dat gebied een of andere bijzondere piek zouden vinden, is een stuk groter.
‘Als je één keer met vijf dobbelstenen gooit, is de kans op vijf zessen nihil. Maar als je lang genoeg Yahtzee speelt, kan dat best een keer gebeuren’, zegt Blekman. ‘We hebben de gegevens uitvoerig gecontroleerd en niks fout gedaan. Maar een statistische fluctuatie kan altijd optreden.’
Hulp van ATLAS
In hun artikel vragen de onderzoekers theoretici en experimentatoren om meer input. ‘Het zou mooi zijn als een theoretische interpretatie naast deze piek ook iets anders voorspelt’, zegt Blekman. ‘Dan kunnen we die voorspelling testen.’
Uit experimentele hoek is in ieder geval al hulp onderweg. Gegevens van de ATLAS-detector, die onafhankelijk van CMS de brokstukken van de LHC-botsingen meet, ondergaan momenteel een vergelijkbare analyse.
Zo’n dubbele meting is cruciaal om statistische ruis weg te filteren. Op die manier werd in 2012 bijvoorbeeld het bestaan van het higgsdeeltje definitief bewezen.
Blinddoeken
Een ander onderzoek leek alvast een bemoedigend resultaat te leveren. Een nieuwe analyse van oude gegevens van deeltjesversneller LEP, de voorganger van de LHC, toonde een soortgelijke piek bij 30 GeV. Dat meldde voormalig CMS-onderzoeker Arno Heister aan The Guardian.
Blekman hecht echter niet veel waarde aan dit resultaat. ‘Wij doen onze analyses altijd ‘geblinddoekt’. Dat betekent dat we van tevoren niet weten of op een bepaalde plek misschien iets te vinden is. Anders is het erg moeilijk je vooroordelen los te laten’, zegt Blekman. ‘Dat blinddoeken is bij de LEP-analyse niet gebeurd.’
Donker lichtdeeltje
De CMS-onderzoekers stuitten eigenlijk per toeval op de piek bij 28 GeV. Ze zochten in de LHC-gegevens naar sporen van minder zware varianten van bekende deeltjes. Een klein neefje van het higgsdeeltje bijvoorbeeld, of een ‘donker Z-boson’, of een ‘donker foton’ – een donker lichtdeeltje dus.
Van al deze deeltjes is het bestaan onzeker, en dat zal voorlopig zo blijven. De gemeten piek bevindt zich namelijk op de verkeerde plek om door een van deze deeltjes veroorzaakt te zijn.
Sgoldstino-deeltje
Het zou niet de eerste keer zijn dat een veelbelovende piek na extra metingen uiteindelijk toch uit de data verdwijnt. In december 2015 leidde een hobbeltje bij 750 GeV tot wilde speculaties over een nieuw deeltje, variërend van een tweede higgsdeeltje tot het vrijwel onbegrijpelijke Sgoldstino-deeltje. Acht maanden later bleken statistische fluctuaties de boosdoener.
‘Ik werk nu bijna twintig jaar in dit vak en heb veel statistische fluctuaties zien voorbijkomen’, zegt Blekman. ‘De enige manier om dat uit te sluiten, is door meer data te verzamelen.’