Een van de fundamentele krachten van de natuur blijkt iets sterker te zijn dan natuurkundigen tot nu toe aannamen. Nieuwe, zeer nauwkeurige berekeningen van de zogenoemde elektrozwakke kracht laten een afwijking van ongeveer 1 procent zien. Dat lijkt gering, maar kan belangrijk zijn bij de zoektocht naar onbekende deeltjes en natuurkundige verschijnselen die buiten het Standaardmodel vallen.
Elektrozwakke kracht nauwkeuriger berekend
De natuurkunde onderscheidt vier fundamentele krachten: zwaartekracht, elektromagnetisme, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht. Samen bepalen deze krachten hoe materie en energie zich gedragen.
De zwakke kernkracht speelt onder meer een rol bij radioactief verval. De elektromagnetische kracht is verantwoordelijk voor elektrische en magnetische verschijnselen, zoals de werking van een magneet op een koelkast.
Bij extreem hoge energieën en temperaturen gedragen de elektromagnetische en zwakke kernkracht zich echter als onderdelen van één gezamenlijke interactie: de elektrozwakke kracht. Zulke omstandigheden kwamen voor in het vroege heelal en kunnen tegenwoordig op kleinere schaal worden nagebootst in krachtige deeltjesversnellers.
Een onderzoeksteam onder leiding van natuurkundige Alessandro Conigli van de Johannes Gutenberg-Universität Mainz heeft de sterkte van deze elektrozwakke interactie nu met grote precisie berekend. Daarbij vonden de onderzoekers een meetbaar verschil met eerdere theoretische waarden.
Eerdere berekeningen waren afhankelijk van experimenten
Het nauwkeurig beschrijven van interacties tussen elementaire deeltjes is al tientallen jaren een grote uitdaging binnen de deeltjesfysica. De vergelijkingen achter bepaalde kernkrachten zijn bijzonder ingewikkeld en konden lange tijd niet rechtstreeks met voldoende nauwkeurigheid worden opgelost.
Natuurkundigen gebruikten daarom vaak een aanpak waarbij experimentele gegevens rechtstreeks in theoretische berekeningen werden verwerkt. Deze methode, bekend als fenomenologie, maakt voorspellingen mogelijk wanneer exacte berekeningen niet praktisch uitvoerbaar zijn.
Daar kleeft echter een nadeel aan. Omdat meetgegevens onderdeel worden van de berekening, kan het moeilijker worden om volledig onafhankelijk vast te stellen hoe nauwkeurig de onderliggende theorie de werkelijkheid beschrijft.
Die kwestie kreeg extra aandacht toen metingen aan muonen, elementaire deeltjes die op elektronen lijken maar veel zwaarder zijn, aanvankelijk niet overeenkwamen met theoretische voorspellingen. Nadat natuurkundigen nauwkeurigere berekeningen uitvoerden met behulp van rooster-kwantumchromodynamica, bleken de resultaten weer met elkaar overeen te komen.
Nieuwe berekeningen tonen verschil van ongeveer 1 procent
Conigli en zijn collega’s hebben nu een vergelijkbare gedetailleerde rekenmethode toegepast om twee waarden vast te stellen die beschrijven hoe virtuele deeltjes en hun antideeltjes de sterkte van de elektrozwakke kracht beïnvloeden.
Virtuele deeltjes zijn tijdelijke kwantumverschijnselen die een rol spelen bij interacties tussen deeltjes, hoewel ze niet op dezelfde manier rechtstreeks kunnen worden waargenomen als gewone deeltjes.
De nieuwe resultaten wijken ongeveer 1 procent af van de waarden die eerder met fenomenologische methoden werden berekend.
Hoewel een verschil van 1 procent klein lijkt, is dergelijke precisie binnen de moderne deeltjesfysica belangrijk. Juist kleine afwijkingen tussen theoretische voorspellingen en experimentele metingen kunnen aanwijzingen opleveren voor natuurkunde die nog niet in bestaande modellen is opgenomen.
Mogelijke aanwijzingen voor nieuwe deeltjes
De verbeterde berekeningen kunnen bijdragen aan onderzoek naar verschijnselen buiten het Standaardmodel. Dat model beschrijft de bekende elementaire deeltjes en drie van de vier fundamentele natuurkrachten, maar biedt geen volledige verklaring voor verschillende grote vraagstukken in de natuurkunde.
Een belangrijk voorbeeld is donkere materie. Astronomische waarnemingen wijzen erop dat deze onzichtbare vorm van materie in grote hoeveelheden in het heelal aanwezig is, maar de precieze aard ervan is nog altijd onbekend.
Natuurkundige Colin Morningstar van Carnegie Mellon University stelt dat de nieuwe berekeningen ook van waarde kunnen zijn bij de zoektocht naar nog onbekende deeltjes. “I wholeheartedly applaud this work.”
Precisie belangrijk voor toekomstige deeltjesversnellers
Ook toekomstige experimenten kunnen profiteren van nauwkeurigere theoretische voorspellingen. Natuurkundige Krishna Kumar van de University of Massachusetts Amherst wijst daarbij op een nieuwe generatie deeltjesversnellers, waaronder de voorgestelde Future Circular Collider van CERN.
Zo’n installatie zou met aanzienlijk grotere precisie metingen kunnen uitvoeren dan bestaande experimenten. Dat stelt tegelijkertijd hogere eisen aan theoretische modellen, omdat experimentele resultaten alleen goed kunnen worden geïnterpreteerd wanneer de bijbehorende voorspellingen eveneens zeer nauwkeurig zijn.
“If you build a new accelerator, it remains to be seen whether you also possess the theoretical knowledge needed to understand the measurements,” zegt Kumar.
De nieuwe berekeningen laten daarmee zien dat zelfs een correctie van ongeveer 1 procent relevant kan zijn. Naarmate de precisie van deeltjesexperimenten verder toeneemt, worden nauwkeurige theoretische voorspellingen steeds belangrijker om mogelijke nieuwe deeltjes en nog onbekende natuurkundige verschijnselen te kunnen herkennen.
Sven Groenendaal is auteur bij Xboxonegaming.nl en schrijft over actuele ontwikkelingen op het gebied van nieuws, technologie, entertainment, sport, business en lifestyle. Hij richt zich op heldere verslaggeving, betrouwbare informatie en onderwerpen die relevant zijn voor een breed publiek. Met oog voor actualiteit en context brengt Sven nieuws en achtergrondverhalen op een toegankelijke manier, zodat lezers snel inzicht krijgen in belangrijke gebeurtenissen, trends en ontwikkelingen die hun dagelijks leven en interesses raken.