Hoe 2021 ons een pak dichter bij de Theory of Everything bracht

Het standaardmodel van de deeltjesfysica verklaart de fundamentele fysica van hoe het universum werkt. Maar er zitten gaten in. In 2021 belichtten wetenschappers enkele van de manieren waarop het standaardmodel niet elk mysterie van het universum kan verklaren. Dat, plus nieuwe technologie die het jongste jaar werd ontwikkeld, helpt natuurkundigen flink vooruit in hun zoektocht naar de Theory of Everything.

In 2021 voerden natuurkundigen over de hele wereld een aantal interessante experimenten uit die het standaardmodel onderzochten. Teams maten de basisparameters van het model nauwkeuriger dan ooit tevoren. Anderen onderzochten de grenzen waar de beste experimentele metingen niet helemaal overeenkomen met de voorspellingen van het standaardmodel. En tot slot bouwden groepen krachtigere technologieën die zijn ontworpen om het model tot het uiterste te drijven en mogelijk nieuwe deeltjes en velden te ontdekken.

In 1897 ontdekte J.J. Thomson het eerste fundamentele deeltje, het elektron, met niets meer dan glazen vacuümbuizen en draden. Meer dan 100 jaar later ontdekken natuurkundigen nog steeds nieuwe stukken van het standaardmodel.

Wat het standaardmodel (niet) kan

Het standaardmodel is een voorspellend raamwerk dat twee dingen doet. Ten eerste legt het uit wat de basisdeeltjes van materie zijn. Dit zijn zaken als elektronen en de quarks waaruit protonen en neutronen bestaan. Ten tweede voorspelt het hoe deze materiedeeltjes met elkaar interageren met behulp van “boodschapperdeeltjes”. Die worden bosonen genoemd – waaronder fotonen en het beroemde Higgs-deeltje – en ze communiceren de basiskrachten van de natuur. Het Higgs-deeltje werd pas in 2012 ontdekt na tientallen jaren werk bij CERN, de enorme deeltjesversneller.

Het standaardmodel is ongelooflijk goed in het voorspellen van veel aspecten van hoe de wereld werkt, maar het heeft wel enkele gaten. Het bevat met name geen beschrijving van de zwaartekracht. Hoewel de algemene relativiteitstheorie van Einstein beschrijft hoe zwaartekracht werkt, hebben natuurkundigen nog geen deeltje ontdekt dat de zwaartekracht overbrengt.

Iets anders dat het standaardmodel niet kan, is uitleggen waarom een ​​deeltje een bepaalde massa heeft – natuurkundigen moeten de massa van deeltjes rechtstreeks meten met behulp van experimenten. Pas nadat experimenten natuurkundigen deze exacte massa’s hebben gegeven, kunnen ze worden gebruikt voor voorspellingen. Hoe beter de metingen, hoe beter de voorspellingen die gemaakt kunnen worden.

Neutrino’s en muonen

Onlangs hebben natuurkundigen van een team bij CERN gemeten hoe sterk het Higgs-deeltje zichzelf voelt. Een ander CERN-team heeft ook de massa van het Higgs-deeltje nauwkeuriger dan ooit gemeten. En tot slot was er ook vooruitgang bij het meten van de massa van neutrino’s. Natuurkundigen weten dat neutrino’s meer dan nul massa hebben, maar minder dan de hoeveelheid die momenteel detecteerbaar is. Een team in Duitsland is doorgegaan met het verfijnen van de technieken waarmee ze de massa van neutrino’s direct kunnen meten.

In april 2021 kondigden leden van het Muon g-2-experiment bij Fermilab hun eerste meting van het magnetische moment van het muon aan. Het muon is een van de fundamentele deeltjes in het standaardmodel en deze meting van een van zijn eigenschappen is de meest nauwkeurige tot nu toe. De reden dat dit experiment belangrijk was, was omdat de meting niet perfect overeenkwam met de voorspelling van het standaardmodel van het magnetische moment. In principe gedragen muonen zich niet zoals ze zouden moeten. Deze bevinding zou kunnen wijzen op onontdekte deeltjes die interageren met muonen.

Maar tegelijkertijd lieten natuurkundige Zoltan Fodor en zijn collega’s in april 2021 zien hoe ze een wiskundige methode, Lattice QCD genaamd, gebruikten om het magnetische moment van het muon nauwkeurig te berekenen. Hun theoretische voorspelling is anders dan oude voorspellingen, werkt nog steeds binnen het standaardmodel en, belangrijker nog, komt overeen met experimentele metingen van het muon. De nieuwe meting en de nieuwe voorspelling moeten nu nog worden verzoend voordat natuurkundigen weten of het experimentele resultaat echt buiten het standaardmodel ligt.

Technologische vooruitgang

2021 was ook een belangrijk jaar voor het bevorderen van de experimentele instrumenten van de natuurkunde. Ten eerste werd ’s werelds grootste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider bij CERN, stilgelegd en onderging die enkele substantiële upgrades. Natuurkundigen hebben de faciliteit in oktober opnieuw opgestart en ze zijn van plan om in mei 2022 met de volgende gegevensverzameling te beginnen. De upgrades hebben het vermogen van de versneller verhoogd, zodat deze botsingen kan produceren bij 14 TeV, een stijging ten opzichte van de vorige limiet van 13 TeV. Dit betekent dat de batches van kleine protonen die in bundels rond de cirkelvormige versneller reizen samen dezelfde hoeveelheid energie vervoeren als een 360.000 kilogram wegende passagierstrein die aan 160 km per uur rijdt. Bij deze ongelooflijke hoeveelheid energie kunnen natuurkundigen nieuwe deeltjes ontdekken die tot nu te zwaar waren om te zien.

Er zijn enkele andere technologische vorderingen gemaakt om het zoeken naar donkere materie te helpen. Veel astrofysici zijn van mening dat donkere materiedeeltjes, die momenteel niet in het standaardmodel passen, enkele openstaande vragen kunnen beantwoorden over de manier waarop de zwaartekracht rond sterren buigt – gravitatielenzen genoemd – en de snelheid waarmee sterren in spiraalstelsels roteren. Projecten zoals de Cryogenic Dark Matter Search moeten nog donkere materiedeeltjes vinden, maar de teams ontwikkelen grotere en gevoeligere detectoren die in de nabije toekomst zullen worden ingezet.

Ook spectaculair is de ontwikkeling van immense nieuwe detectoren zoals Hyper-Kamiokande en DUNE. Met behulp van deze detectoren kunnen wetenschappers hopelijk vragen beantwoorden over een fundamentele asymmetrie in hoe neutrino’s oscilleren. Ze zullen ook worden gebruikt om te kijken naar protonverval, een voorgesteld fenomeen dat volgens bepaalde theorieën zou moeten plaatsvinden.

(kg)

Meer
Markten
Mijn Volglijst
Markten
BEL20