De wereld van het piepkleine, het kwantumrijk zou een favoriete smaak kunnen hebben.
We hebben het natuurlijk niet over piepkleine ijshoorntjes. De wereld van deeltjes is opgesplitst in drie kampen, "smaken" genoemd (vraag niet waarom). De elektronen vertegenwoordigen bijvoorbeeld één smaak en er zijn twee andere deeltjes met bijna identieke eigenschappen, de muon en de tau, die hun eigen smaak hebben. We hebben lang vermoed - maar niet bewezen - dat alle drie de smaken op gelijke voet moeten staan.
Maar helaas beginnen jaren van collider-experimenten te suggereren dat misschien niet alles even stijf is.
De resultaten van deze experimenten zijn nog steeds voorlopig en niet significant genoeg om de definitieve ontdekking van een scheur in de bijbel van de deeltjesfysica, het standaardmodel, te claimen. Als de resultaten echter standhouden, kan dat de toegangspoort openen om alles te begrijpen, van donkere materie tot de oorsprong van het universum. Weet je, grote onopgeloste problemen in de moderne natuurkunde.
Standaard smaken
Het standaardmodel van de deeltjesfysica is oppermachtig en slaagt erin tientallen jaren lang experimenten over de hele wereld met succes door te voeren. Deze theorie verenigt ons begrip van drie van de vier fundamentele krachten van het universum - elektromagnetisme, sterke nucleaire en zwakke nucleaire - onder een enkele kwantumbanner. Alles bij elkaar is het de best geteste theorie in de hele wetenschap, die een breed scala aan fundamentele interacties kan verklaren.
Met andere woorden, je rommelt gewoon niet met het standaardmodel.
En toch weten we dat dit beeld van de subatomaire wereld verre van perfect is. Om maar een paar voorbeelden te noemen, het verklaart geen neutrinomassa's of geeft ons een idee over donkere materie. De overgrote meerderheid van natuurkundigen is van mening dat er een andere theorie is, tot dusver onbekend, die alles omvat wat het standaardmodel kan uitleggen en wat het niet kan.
Het minpunt is dat we niet weten hoe die theorie eruit ziet of welke voorspellingen het zou kunnen doen. We weten dus niet alleen niet de volledige antwoorden op het leven, het universum en alles daartussenin, we weten ook niet hoe we die antwoorden kunnen krijgen.
Om hints te vinden van 'A Better Theory', zijn onderzoekers op zoek naar onvolkomenheden of valse voorspellingen van het standaardmodel - een scheur in die theorie zou misschien de deur kunnen openen naar iets groters.
Een van de vele voorspellingen van het standaardmodel betreft de aard van de leptonen, dit zijn kleine, solitaire deeltjes zoals elektronen of quarks. De leptonen zijn gegroepeerd in drie klassen, bekend als generaties of smaken afhankelijk van welke natuurkundige je vraagt. Deeltjes met verschillende smaken hebben dezelfde eigenschappen, behalve dat ze verschillende massa's hebben. Het elektron, het muon en het tau-deeltje hebben bijvoorbeeld allemaal dezelfde elektrische lading en spin, maar het muon weegt zwaarder dan het elektron, en de tau nog meer - ze hebben verschillende smaken.
Volgens het standaardmodel zouden deze drie smaken van het elektron zich precies hetzelfde moeten gedragen. Fundamentele interacties zouden elk van deze met dezelfde waarschijnlijkheid moeten produceren; de natuur kan het verschil gewoon niet zien, dus het is niet echt een smaak voor de ene smaak boven de andere.
Als het gaat om de drie smaken, kiest de natuur voor de Napolitaanse aanpak: allemaal.
Een prachtig resultaat
Dat is echter allemaal theorie en daarom moet het worden getest. In de loop der jaren zijn verschillende experimenten, zoals die uitgevoerd in de Large Hadron Collider bij CERN en de BaBar-faciliteit, waarbij fundamentele deeltjes bij grote botsingen samen worden geslagen. De resulterende deeltjes die door die botsingen worden geproduceerd, kunnen aanwijzingen geven over hoe de natuur op het diepste niveau werkt. En sommige van deze botsingen zijn ontworpen om te zien of de natuur de smaak van lepton liever heeft dan de andere.
Met name één soort deeltje, de onderste quark genaamd, geniet er echt van om in leptonen te vervallen. Soms wordt het een elektron. Soms een muon. Soms een tau. Maar wat er ook gebeurt, alle drie de smaken hebben een gelijke kans om uit het wrak te komen.
Natuurkundigen zijn erin geslaagd honderden miljoenen van dergelijke bodemkwarkvervallen te vergaren en een paar jaar geleden verscheen er iets vreemds in de gegevens: de natuur leek de tau-deeltjes in deze interacties iets meer te prefereren dan de andere leptonen. Het was echter nauwelijks statistisch significant, dus het was gemakkelijk om deze resultaten weg te wuiven als louter een statistische toevalstreffer; misschien hadden we gewoon niet genoeg botsingen gehad om alles te compenseren.
Maar naarmate de jaren verstreken, is het resultaat blijven hangen, zoals natuurkundige Antonio Pich van de Universiteit van Valencia in Spanje opmerkt in een overzicht van dit onderzoek dat in november in de preprint-database arXiv is gepubliceerd. De natuur ziet er behoorlijk koppig uit als het gaat om haar schijnbare vriendelijkheid van het tau-deeltje. Het resultaat is nog steeds niet overtuigend, maar de persistentie in de loop der jaren en in verschillende experimenten heeft voor een echte head-scratcher gezorgd.
Niet zo standaard model
In het standaardmodel krijgen de verschillende smaken van leptonen hun ... nou ja, smaak ... door hun interacties met het Higgs-deeltje: hoe meer een smaak met de Higgs interageert, hoe groter de massa. Maar anders maakt de natuur geen onderscheid tussen hen, vandaar de voorspelling dat alle smaken in alle interacties gelijk moeten voorkomen.
Maar als deze zogenaamde "smaakafwijkingen" inderdaad een echt kenmerk van ons universum zijn en niet zomaar een bug in de gegevensverzameling, dan hebben we een manier nodig om uit te leggen waarom de natuur meer om het tau-deeltje zou moeten geven dan om het elektron of muon. Een mogelijkheid is dat er meer dan één soort Higgs-boson rondvliegt - een om de massa van het elektron en de muon te bieden, en een andere die vooral dol is op de tau, waardoor deze vaker uit interacties kan springen.
Een andere mogelijkheid is dat er extra deeltjes zijn die met de tau praten - deeltjes die we nog niet in experimenten hebben gezien. Of misschien is er een fundamentele symmetrie van de natuur die zich alleen openbaart door het gefluister van leptonreacties - met andere woorden, een nieuwe natuurkracht die alleen verschijnt in deze obscure, zeldzame interacties.
Totdat we het bewijsmateriaal vasthouden (op dit moment is de statistische significantie van dit verschil ongeveer 3-sigma, wat een kans van 99,3% vertegenwoordigt dat dit resultaat slechts een toevalstreffer is, terwijl de "gouden standaard" voor deeltjesfysica 5-sigma is, of 99,97%), we kunnen het niet zeker weten. Maar als het bewijsmateriaal wordt aangescherpt, kunnen we dit nieuwe inzicht mogelijk gebruiken om nieuwe fysica te vinden die verder gaat dan het standaardmodel, waardoor de mogelijkheid wordt geopend om het momenteel onverklaarbare te verklaren, zoals de fysica van het zeer vroege universum of wat dan ook. met donkere materie.
