Behaal opnieuw een overwinning voor het standaardmodel, de opmerkelijk succesvolle theorie die beschrijft hoe alle bekende fundamentele deeltjes op elkaar inwerken.
Natuurkundigen hebben tot nu toe de meest nauwkeurige meting gedaan van hoe sterk de zwakke kracht - een van de vier fundamentele krachten van de natuur - op het proton inwerkt.
De resultaten, die vandaag (9 mei) in het tijdschrift Nature zijn gepubliceerd, zijn precies wat het standaardmodel voorspelde, en weer een nieuwe klap voor de inspanningen van natuurkundigen om knikken in de theorie te vinden en nieuwe fysica te ontdekken die zou kunnen verklaren wat donkere materie en donkere energie zijn .
Ondanks zijn triomfen is het standaardmodel onvolledig. Het verklaart geen donkere materie en donkere energie, die samen meer dan 95 procent van het universum uitmaken en toch nooit rechtstreeks zijn waargenomen. De theorie bevat ook geen zwaartekracht of verklaart niet waarom het universum meer materie bevat dan antimaterie.
Het standaardmodel testen
Een manier om tot een completere theorie te komen, is te testen wat het standaardmodel zegt over de zwakke kracht, die verantwoordelijk is voor radioactief verval, waardoor de nucleaire reacties mogelijk worden die de zon laten schijnen en kerncentrales aandrijven. De sterkte van de interacties van de zwakke kracht hangt af van de zogenaamde zwakke lading van een deeltje, net zoals de elektromagnetische kracht afhangt van elektrische lading en de zwaartekracht afhangt van massa.
'We hoopten alleen dat dit een van de manieren was om een scheur in het standaardmodel te vinden', zegt Greg Smith, een fysicus bij de Jefferson National Accelerator Facility in Virginia en de projectmanager voor het Q-zwakke experiment.
De onderzoekers schoten elektronenstralen op een pool van protonen. De spins van de elektronen waren parallel of antiparallel met de straal. Bij een botsing met de protonen zouden de elektronen uiteenvallen, voornamelijk als gevolg van interacties met de elektromagnetische kracht. Maar voor elke 10.000 of 100.000 verstrooiing, zei Smith, gebeurde er een via de zwakke kracht.
In tegenstelling tot de elektromagnetische kracht, gehoorzaamt de zwakke kracht niet aan spiegelsymmetrie of pariteit, zoals natuurkundigen het noemen. Dus bij interactie via de elektromagnetische kracht, verstrooit een elektron op dezelfde manier, ongeacht zijn spinrichting. Maar bij interactie via de zwakke kracht hangt de waarschijnlijkheid dat het elektron zal verstrooien heel licht af van of de spin parallel of antiparallel is, ten opzichte van de richting waarin het elektron reist.
In het experiment wisselde de straal ongeveer 1000 keer per seconde af tussen afvurende elektronen met parallelle en antiparallelle spins. De onderzoekers ontdekten dat het verschil in kans op verstrooiing slechts 226,5 delen per miljard was, met een precisie van 9,3 delen per miljard. Dat komt overeen met het feit dat twee verder identieke Mount Everests in hoogte verschillen door de dikte van een dollar munt - met een precisie tot op de breedte van een mensenhaar.
'Dit is de kleinste en meest nauwkeurige asymmetrie die ooit is gemeten bij de verstrooiing van gepolariseerde elektronen van protonen', zegt Peter Blunden, een natuurkundige aan de Universiteit van Manitoba in Canada die niet bij het onderzoek betrokken was. De meting, voegde hij eraan toe, is een indrukwekkende prestatie. Bovendien laat het zien dat deze relatief energiezuinige experimenten in de jacht op nieuwe fysica kunnen concurreren met krachtige deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider bij Genève, zei Blunden.
Hoewel de zwakke lading van het proton min of meer bleek te zijn wat het standaardmodel zei dat het zou zijn, is alle hoop niet verloren voor het ooit vinden van nieuwe fysica. De resultaten beperken slechts hoe die nieuwe fysica eruit zou kunnen zien. Smith zei bijvoorbeeld dat ze fenomenen uitsluiten met elektron-protoninteracties die optreden bij energieën onder 3,5 tera-elektronvolt.
Toch zou het veel spannender zijn geweest als ze iets nieuws hadden gevonden, zei Smith.
"Ik was teleurgesteld", vertelde hij WordsSideKick.com. 'Ik hoopte op een afwijking, een signaal. Maar andere mensen waren opgelucht dat we niet ver verwijderd waren van wat het standaardmodel voorspelde.'
