Al geruime tijd hebben natuurkundigen begrepen dat alle bekende verschijnselen in het heelal worden beheerst door vier fundamentele krachten. Deze omvatten zwakke kernkracht, sterke kernkracht, elektromagnetisme en zwaartekracht. Terwijl de eerste drie krachten allemaal deel uitmaken van het standaardmodel van de deeltjesfysica en verklaard kunnen worden door middel van kwantummechanica, is ons begrip van zwaartekracht afhankelijk van Einsteins relativiteitstheorie.
Begrijpen hoe deze vier krachten in elkaar passen, is al tientallen jaren het doel van de theoretische fysica, wat op zijn beurt heeft geleid tot de ontwikkeling van meerdere theorieën die proberen deze met elkaar te verzoenen (d.w.z. Super String Theory, Quantum Gravity, Grand Unified Theory, enz.). Hun inspanningen kunnen echter gecompliceerd (of geholpen) zijn dankzij nieuw onderzoek dat suggereert dat er misschien een vijfde kracht aan het werk is.
In een paper die onlangs in het tijdschrift is verschenen Fysieke beoordelingsbrieven, een onderzoeksteam van de Universiteit van Californië, Irvine, legt uit hoe recente deeltjesfysica-experimenten mogelijk bewijs hebben opgeleverd voor een nieuw type boson. Dit boson gedraagt zich blijkbaar niet zoals andere bosonen doen, en kan een aanwijzing zijn dat er nog een andere natuurkracht is die fundamentele interacties beheerst.
Zoals Jonathan Feng, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de UCI en een van de hoofdauteurs op papier, zei:
"Als het waar is, is het revolutionair. Al tientallen jaren kennen we vier fundamentele krachten: gravitatie, elektromagnetisme en de sterke en zwakke nucleaire krachten. Indien bevestigd door verdere experimenten, zou deze ontdekking van een mogelijke vijfde kracht ons begrip van het universum volledig veranderen, met gevolgen voor de eenmaking van krachten en donkere materie. ”
De inspanningen die tot deze potentiële ontdekking hebben geleid, begonnen in 2015, toen het UCI-team een studie tegenkwam van een groep experimentele kernfysici van het Hongaarse Academie van Wetenschappen Instituut voor Nucleair Onderzoek. Destijds waren deze natuurkundigen op zoek naar een radioactieve vervalafwijking die zinspeelde op het bestaan van een lichtdeeltje dat 30 keer zwaarder was dan een elektron.
In een paper waarin hun onderzoek werd beschreven, beweerden hoofdonderzoeker Attila Krasznahorka en zijn collega's dat wat ze waarnamen de creatie van 'donkere fotonen' zou kunnen zijn. Kortom, ze dachten dat ze eindelijk bewijs zouden hebben gevonden van Dark Matter, de mysterieuze, onzichtbare massa die ongeveer 85% van de massa van het universum uitmaakt.
Dit rapport werd destijds grotendeels over het hoofd gezien, maar kreeg eerder dit jaar veel aandacht toen prof. Feng en zijn onderzoeksteam het ontdekten en de conclusies begonnen te beoordelen. Maar nadat ze de resultaten van de Hongaarse teams hadden bestudeerd en vergeleken met eerdere experimenten, concludeerden ze dat het experimentele bewijs het bestaan van donkere fotonen niet ondersteunde.
In plaats daarvan stelden ze voor dat de ontdekking zou kunnen wijzen op de mogelijke aanwezigheid van een vijfde fundamentele natuurkracht. Deze bevindingen werden in april gepubliceerd in arXiv, dat werd opgevolgd door een paper getiteld "Particle Physics Models for the 17 MeV Anomaly in Beryllium Nuclear Decays", dat werd gepubliceerd in PRL afgelopen vrijdag.
In wezen stelt het UCI-team dat in plaats van een donker foton, het Hongaarse onderzoeksteam misschien getuige was geweest van de creatie van een voorheen onontdekt boson - dat ze het 'protofobe X-boson' hebben genoemd. Terwijl andere bosonen interageren met elektronen en protonen, interageert dit hypothetische boson alleen met elektronen en neutronen, en alleen op een uiterst beperkt bereik.
Aangenomen wordt dat deze beperkte interactie de reden is waarom het deeltje tot nu toe onbekend is gebleven en waarom de bijvoeglijke naamwoorden "photobic" en "X" aan de naam worden toegevoegd. "Er is geen ander boson dat we hebben waargenomen dat dezelfde eigenschap heeft", zegt Timothy Tait, een professor in de natuurkunde en astronomie aan de UCI en de co-auteur van de paper. "Soms noemen we het ook gewoon het‘ X-boson ’, waarbij‘ X ’onbekend betekent."
Als zo'n deeltje bestaat, zijn de mogelijkheden voor doorbraken in onderzoek eindeloos. Feng hoopt dat het kan worden samengevoegd met de drie andere krachten die de wisselwerkingen tussen deeltjes (elektromagnetische, sterke en zwakke nucleaire krachten) regelen als een grotere, meer fundamentele kracht. Feng speculeerde ook dat deze mogelijke ontdekking zou kunnen wijzen op het bestaan van een 'donkere sector' van ons universum, die wordt beheerst door zijn eigen materie en krachten.
"Het is mogelijk dat deze twee sectoren met elkaar praten en met elkaar communiceren door middel van enigszins verhulde maar fundamentele interacties", zei hij. "Deze duistere-sectorkracht kan zich manifesteren als deze protofopische kracht die we zien als resultaat van het Hongaarse experiment. In bredere zin past het in ons oorspronkelijke onderzoek om de aard van donkere materie te begrijpen. ”
Mocht dit het geval blijken te zijn, dan zijn natuurkundigen misschien dichter bij het achterhalen van het bestaan van donkere materie (en misschien zelfs donkere energie), twee van de grootste mysteries in de moderne astrofysica. Bovendien kan het onderzoekers helpen bij het zoeken naar natuurkunde buiten het standaardmodel - iets waar de onderzoekers van CERN al sinds de ontdekking van het Higgs-boson in 2012 mee bezig zijn.
Maar zoals Feng opmerkt, moeten we het bestaan van dit deeltje bevestigen door middel van verdere experimenten voordat we allemaal opgewonden raken van de implicaties ervan:
"Het deeltje is niet erg zwaar en laboratoria hebben sinds de jaren '50 en '60 de benodigde energie om het te halen. Maar de reden dat het moeilijk te vinden is, is dat de interacties erg zwak zijn. Dat gezegd hebbende, omdat het nieuwe deeltje zo licht is, werken er veel experimentele groepen in kleine labs over de hele wereld die de eerste beweringen kunnen opvolgen, nu ze weten waar ze moeten zoeken. ”
Zoals de recente zaak met CERN - waar LHC-teams gedwongen werden aan te kondigen dat ze dat hadden gedaan niet ontdekte twee nieuwe deeltjes - het blijkt dat het belangrijk is om onze kippen niet te tellen voordat ze worden geborgen. Zoals altijd is voorzichtig optimisme de beste benadering van mogelijke nieuwe bevindingen.
