Metingen aan het zware element ytterbium kunnen wijzen op het bestaan van een ‘donkere kracht’, die vooral wordt gevoeld door de deeltjes waarvan donkere materie is gemaakt.
85 procent van de massa in ons heelal bestaat uit donkere materie, zo lijkt het. Maar de zoektocht naar de deeltjes waar die materie uit zou bestaan, heeft tot nu toe niets opgeleverd. Nu denkt een team van Amerikaanse, Australische en Koreaanse natuurkundigen echter tekenen te hebben gezien van een deeltje dat donkere-materie-deeltjes met elkaar laat ‘praten’: een donker boson.
Parallelle werelden
In de regel zijn bosonen verantwoordelijk voor het overdragen van krachten tussen andere deeltjes. Twee deeltjes met een lading trekken elkaar aan of stoten elkaar af, zo eist bijvoorbeeld de elektromagnetische kracht. Daarbij wisselen deze deeltjes dan een boson uit dat wij kennen als het deeltje waar licht uit bestaat: het foton.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Als donkere materie uit nog niet ontdekte deeltjes bestaat, kunnen er tussen die deeltjes nog onbekende krachten werken – ‘donkere krachten’. Bij zo’n donkere kracht zouden dan ook donkere bosonen moeten horen. Zo zouden er als het ware twee parallelle werelden zijn: gewone deeltjes die gewone krachten ervaren door gewone bosonen uit te wisselen, en donkere-materie-deeltjes die donkere krachten ervaren door donkere bosonen uit te wisselen.
Het kán echter zo zijn dat die twee werelden niet volledig gescheiden zijn. Dat zo’n donker boson ook een klein beetje invloed uitoefent op gewone deeltjes. Daar zou je dan sporen van moeten zien als je in het lab heel precies naar bepaalde atomen kijkt.
Extra interactie
Natuurkundige Vladan Vuletic van het Massachusetts Institute of Technology in de VS en collega’s besloten de proef op de som te nemen. Ze richtten zich daarbij op ytterbium, een zwaar element dat onder meer wordt gebruikt bij de productie van roestvrij staal en in atoomklokken.
Van belang bij dit onderzoek is dat zo’n ytterbiumatoom – net als alle andere atomen – bestaat uit een positief geladen kern, omgeven door negatief geladen elektronen. ‘Zo’n elektron kan zich op verschillende afstanden van de kern bevinden’, legt Vuletic uit, ‘en dus verschillende energieën hebben. De quantummechanica dicteert dat die energieën alleen bepaalde waardes kunnen hebben.’
Waar deze zogenoemde energieniveaus precies liggen, wordt met name gedicteerd door de elektromagnetische kracht, vervolgt Vuletic. Deze kracht zorgt namelijk voor de aantrekkende werking tussen de negatief geladen elektronen en de positief geladen kern. ‘Maar een donker boson zou kunnen leiden tot een extra interactie tussen de elektronen en, in dit geval, de neutronen in de atoomkern. En dan verschuiven de energieniveaus een klein beetje.’
Nieuw boson?
Dat verschil zou je op het spoor kunnen komen door te kijken naar het licht dat elektronen uitzenden als ze van energieniveau wisselen. Heeft dat licht precies de golflengte die je zou verwachten als alleen de bekende krachten er zijn? Of wijkt het daar een beetje van af, wat kan wijzen op een extra kracht – bijvoorbeeld een donkere-materie-kracht die een klein beetje ‘doorlekt’ naar de wereld van de deeltjes waar wij uit bestaan?
Vuletic en collega’s melden nu in een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters dat ze inderdaad zo’n afwijking zien. Ze keken naar ytterbiumatomen met verschillende aantallen neutronen in hun kern – zogenoemde isotopen – en zagen daarbij een patroon dat niet helemaal klopt met wat je zou verwachten op basis van de bekende krachten.
‘Dat kan wijzen op natuurkunde voorbij het standaardmodel van de deeltjesfysica’, schrijven de onderzoekers, ‘bijvoorbeeld in de vorm van een nieuw, krachtoverbrengend boson.’
Minder gevoelig
Dat nieuwe, ‘donkere’ boson zou zich dan ook met andere elementen moeten bemoeien, schrijven Vuletic en collega’s aan het eind van hun artikel. Je zou bijvoorbeeld kunnen kijken naar strontium, neodymium of calcium, suggereren ze.
Normaal zouden zulke metingen dan een klusje voor de toekomst zijn – maar in dit geval niet. Natuurkundige Michael Drewsen van de Deense Universiteit van Aarhus en zijn team hébben calcium namelijk al bestudeerd – en rapporteren hun bevindingen in dezelfde editie van hetzelfde wetenschappelijke tijdschrift. Hun conclusie is echter: calcium gedraagt zich precies zoals je zou verwachten als er géén extra krachten in het spel zijn.
Een pijnlijke tegenspraak, die er wel op neer zal komen dat ‘team ytterbium’ een foutje heeft gemaakt? Niet per se, zegt Vuletic. ‘Weliswaar heeft Drewsen een preciezere meting verricht dan wij, maar calcium is ook minder gevoelig voor een nieuw boson dan ytterbium.’ Daarom gaat hij er vooralsnog van uit dat beide resultaten kloppen.
Nog niet zo sterk
Natuurkundige Johan Messchendorp (Rijksuniversiteit van Groningen), niet betrokken bij beide experimenten, vindt ook niet dat de resultaten elkaar per se tegenspreken. Hij benoemt echter vooral dat het resultaat van Vuletic nog niet zo heel sterk is. Het heeft namelijk een ‘sigma’ van 3, wat wil zeggen dat de kans dat het resultaat op toeval berust 0,3 procent is. Dat klinkt als een kleine kans, maar onder deeltjesfysici mag iets pas een ontdekking heten als er sprake is van een ‘5-sigma-resultaat’, waarbij de kans op toeval 0,00006 procent bedraagt.
‘Een afwijking van het standaardmodel van 3 sigma is voor mij in het algemeen niet heel overtuigend’, zegt Messchendorp. ‘De tijd zal moeten leren wat er van dit resultaat overblijft als er meer metingen worden gedaan.’
