Deze zomer in Chicago, van 3 tot 10 augustus, nemen theoretici en experimentele natuurkundigen van over de hele wereld deel aan de International Conference of High Energy Physics (ICHEP). Een van de hoogtepunten van deze conferentie komt van CERN Laboratories, waar deeltjesfysici de schat aan nieuwe gegevens presenteren die de Large Hadron Collider (LHC) dit jaar tot nu toe heeft geproduceerd.
Maar temidden van alle opwinding die het gevolg is van het kunnen meekijken in de meer dan 100 laatste resultaten, moest er ook slecht nieuws worden gedeeld. Dankzij alle nieuwe gegevens die door de LHC zijn verstrekt, is de kans dat een nieuw elementair deeltje werd ontdekt - een mogelijkheid die waarschijnlijk acht maanden geleden begon te verschijnen - nu vervaagd. Jammer, want het bestaan van dit nieuwe deeltje zou baanbrekend zijn geweest!
De indicaties van dit deeltje verschenen voor het eerst in december 2015, toen teams van natuurkundigen die twee van CERN's deeltjesdetectoren (ATLAS en CMS) gebruikten, merkten op dat de botsingen van de LHC meer paren fotonen produceerden dan verwacht, en met een gecombineerde energie van 750 gigaelectronvolts. Hoewel de meest waarschijnlijke verklaring een statistische toevalstreffer was, was er nog een andere verleidelijke mogelijkheid - dat ze bewijs van een nieuw deeltje zagen.
Als dit deeltje echt zou zijn, dan was het waarschijnlijk een zwaardere versie van het Higgs-deeltje. Dit deeltje, dat andere elementaire deeltjes hun massa geeft, werd in 2012 ontdekt door onderzoekers van CERN. Maar terwijl de ontdekking van het Higgs-deeltje het standaardmodel van deeltjesfysica bevestigde (wat de afgelopen 50 jaar de wetenschappelijke conventie was), was het mogelijke bestaan van dit deeltje daarmee niet in overeenstemming.
Een andere, misschien nog spannendere theorie was dat het deeltje het lang gezochte gravitron was, het theoretische deeltje dat fungeert als de 'krachtdrager' voor de zwaartekracht. Als dat inderdaad zo was deze deeltje, dan zouden wetenschappers eindelijk een manier hebben om uit te leggen hoe algemene relativiteitstheorie en kwantummechanica samengaan - iets dat hen al tientallen jaren ontgaat en de ontwikkeling van een Theory of Everything (ToE) remde.
Om deze reden is er een behoorlijke opwinding geweest in de wetenschappelijke gemeenschap, met meer dan 500 wetenschappelijke artikelen die over dit onderwerp zijn geproduceerd. Dankzij de enorme hoeveelheden gegevens die de afgelopen maanden zijn verstrekt, moesten de CERN-onderzoekers vrijdag op ICEP 2016 echter aankondigen dat er geen nieuw bewijs was voor een deeltje.
De resultaten werden gepresenteerd door vertegenwoordigers van de teams die afgelopen december voor het eerst de ongebruikelijke gegevens opmerkten. Bruno Lenzi was de vertegenwoordiger van CERN's ATLAS-detector, die voor het eerst de fotonparen opmerkte. Ondertussen vertegenwoordigt Chiara Rovelli het concurrerende team dat de Compact Muon Solenoid (CMS) gebruikt, wat de metingen bevestigde.
Zoals ze aantoonden, zijn de metingen die duidden op een hobbel in fotonparen afgelopen december sindsdien in de platte lijn gegaan, waardoor elke twijfel of het een toevalstreffer was of niet. Echter, zoals Tiziano Campores - een woordvoerder van C.M.S. - werd geciteerd door de New York Times Zoals gezegd aan de vooravond van de aankondiging, waren de teams altijd duidelijk geweest dat dit geen waarschijnlijke mogelijkheid was:
'We zien niets. In feite is er op dat moment zelfs een klein tekort. Het is teleurstellend omdat er zoveel hype over is gemaakt. [Maar] we zijn er altijd heel cool over geweest. '
Deze resultaten werden ook vermeld in een paper dat door de C.M.S. team op dezelfde dag. En CERN Laboratories herhaalde deze verklaring in een recent persbericht waarin de laatste datatransport op ICEP 2016 werd besproken:
"In het bijzonder is de intrigerende hint van een mogelijke resonantie bij 750 GeV die in fotonenparen vervalt, wat veel belangstelling veroorzaakte uit de gegevens van 2015, niet teruggekomen in de veel grotere dataset van 2016 en lijkt het dus een statistische fluctuatie te zijn."
Dit was allemaal teleurstellend nieuws, aangezien de ontdekking van een nieuw deeltje enig licht had kunnen werpen op de vele vragen die voortkomen uit de ontdekking van het Higgs-deeltje. Sinds het voor het eerst werd waargenomen in 2012, en later werd bevestigd, worstelen wetenschappers om te begrijpen hoe precies datgene dat andere deeltjes hun massa geeft zo "licht" zou kunnen zijn.
Ondanks dat het het zwaarste elementaire deeltje was - met een massa van 125 miljard elektronvolt - voorspelde de kwantumtheorie dat het Higgs-deeltje biljoenen keer zwaarder moest zijn. Om dit uit te leggen, hebben theoretische natuurkundigen zich afgevraagd of er in feite nog andere krachten aan het werk zijn die de massa van het Higgs-boson op afstand houden - dat wil zeggen enkele nieuwe deeltjes. Hoewel er nog geen nieuwe exotische deeltjes zijn ontdekt, zijn de resultaten tot nu toe bemoedigend.
Zo lieten ze zien dat LHC-experimenten de afgelopen acht maanden al ongeveer vijf keer meer gegevens hebben geregistreerd dan vorig jaar. Ze boden wetenschappers ook een glimp van hoe subatomaire deeltjes zich gedragen bij energieën van 13 biljoen elektronvolt (13 TeV), een nieuw niveau dat vorig jaar werd bereikt. Dit energieniveau is mogelijk gemaakt door de upgrades die zijn uitgevoerd op de LHC tijdens zijn onderbreking van twee jaar; daarvoor functioneerde het slechts op halve kracht.
Een ander ding om over op te scheppen was het feit dat de LHC afgelopen juni alle eerdere prestatierecords overtrof en een piekhelderheid bereikte van 1 miljard botsingen per seconde. De mogelijkheid om experimenten op dit energieniveau uit te voeren, en met zoveel botsingen, heeft LHC-onderzoekers een dataset opgeleverd die groot genoeg is om nauwkeuriger metingen van standaardmodelprocessen uit te voeren.
In het bijzonder zullen ze in staat zijn om te zoeken naar abnormale interacties tussen deeltjes met een hoge massa, wat een indirecte test vormt voor de fysica buiten het standaardmodel - met name nieuwe deeltjes voorspeld door de theorie van Supersymmetrie en andere. En hoewel ze nog geen nieuwe exotische deeltjes hebben ontdekt, zijn de resultaten tot nu toe bemoedigend, vooral omdat ze laten zien dat de LHC meer resultaten oplevert dan ooit.
En hoewel het ontdekken van iets dat de vragen die voortvloeien uit de ontdekking van de Higgs-bosonen zou kunnen verklaren, een grote doorbraak zou zijn geweest, zijn velen het erover eens dat het gewoon te vroeg was om onze hoop te laten gelden. Fabiola Gianotti, de directeur-generaal van CERN, zei:
"We staan nog maar aan het begin van de reis. De uitstekende prestaties van de LHC-accelerator, experimenten en berekeningen zijn buitengewoon goed voor een gedetailleerde en uitgebreide verkenning van de verschillende TeV-energieschalen en een aanzienlijke vooruitgang in ons begrip van fundamentele fysica. ”
Voorlopig lijkt het erop dat we allemaal geduld zullen moeten hebben en moeten wachten op meer wetenschappelijke resultaten. En we kunnen allemaal troost putten uit het feit dat, althans voorlopig, het standaardmodel nog steeds het juiste model lijkt te zijn. Het is duidelijk dat er geen kortere weg is om uit te zoeken hoe het heelal werkt en hoe al zijn fundamentele krachten in elkaar passen.
