De ontdekking van een ‘buitengewoon’ W-boson is in tegenspraak met het begrip van hoe het universum werkt | weten

Na een decennium van zorgvuldige metingen hebben wetenschappers aangekondigd dat een fundamenteel deeltje – het W-deeltje – een veel grotere massa heeft dan verwacht, waardoor de fundamenten van ons begrip van hoe het universum werkt, aan het wankelen worden gebracht.

Deze fundamenten worden ondersteund door het standaardmodel van de deeltjesfysica, de beste theorie die wetenschappers hebben om de belangrijkste bouwstenen van het universum te beschrijven, en welke krachten ze beheersen.

Het W-boson is een fundamenteel, elektrisch geladen deeltje dat de zogenaamde zwakke kracht bestuurt, een van de vier fundamentele natuurkrachten en dus een van de pijlers van het standaardmodel.

De meest nauwkeurige meting ooit van W Boson is echter in direct conflict met de regels van het standaardmodel, volgens een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Science.

Ashutosh Kotwal, de fysicus van de Duke University die de studie leidde, zei dat het resultaat meer dan 400 wetenschappers meer dan 10 jaar kostte om “een dataset van ongeveer 450 biljoen botsingen” vast te leggen en te onderzoeken.

Deze botsingen – gemaakt door deeltjes met een verbazingwekkende snelheid tegen elkaar te slaan om te bestuderen – werden gemaakt door de Tevatron-botser in de Amerikaanse staat Illinois.

Het was ‘s werelds meest energieke deeltjesversneller tot 2009, toen het werd vervangen door de Large Hadron Collider in de buurt van Genève, beroemd om het observeren van het Higgs-deeltje een paar jaar later.

Tevatron stopte met werken in 2011, maar wetenschappers van Collider Detector in Fermilab (CDF) hebben de cijfers sindsdien berekend.

Harry Cliff, een deeltjesfysicus aan de Universiteit van Cambridge die werkt bij de Large Hadron Collider, zei dat het standaardmodel “waarschijnlijk de meest succesvolle theorie en wetenschappelijke theorie is die ooit is opgeschreven – het kan fantastisch nauwkeurige voorspellingen doen”.

Maar als dergelijke voorspellingen niet kloppen, kunnen ze niet zomaar worden gewijzigd.

“Het is als een kaartenhuis, als je er te veel aan trekt, valt alles uit elkaar”, zei Cliff.

Maar het standaardmodel is niet zonder problemen. Het houdt bijvoorbeeld geen rekening met donkere materie, waarvan wordt aangenomen dat deze 95% van het universum uitmaakt.

Bovendien “zijn recentelijk enkele scheuren ontdekt in het standaardmodel”, zeiden de natuurkundigen in een begeleidend wetenschappelijk artikel.

“In dit kader van aanwijzingen voor ontbrekende stukken in het standaardmodel, hebben we nog een zeer interessant en enigszins substantieel bewijsstuk geleverd”, zei Cotwal.

“Dit is ofwel een grote ontdekking of een probleem in de data-analyse”, zegt Jean Starck, een natuurkundige en onderzoeksdirecteur van het Franse CNRS Institute, en voorspelt “zeer verhitte discussies in de komende jaren.”

“Buitengewone beschuldigingen vereisen buitengewoon bewijs”, zei hij.

De CDF-wetenschappers zeiden dat ze de massa van het W-deeltje bepaalden met een nauwkeurigheid van 0,01% – twee keer de nauwkeurigheid van eerdere inspanningen.

Ze vergeleken dit met een gorilla van 350 kg (800 lb) met een gewicht van 40 g (1,5 oz).

Ze ontdekten dat het verschilde van de voorspelling van het standaardmodel door zeven standaarddeviaties, ook wel sigma genoemd.

Als je een munt opgooit, zei Cliff, “is de kans dat je door stom geluk een Five Sigma-resultaat krijgt één op drie en een half miljoen.”

“Als dit echt is, en geen systematische vooringenomenheid of misverstand over hoe de berekeningen worden uitgevoerd, is dit een enorm probleem, omdat het betekent dat er een nieuwe fundamentele component in ons universum is die we nog niet eerder hebben ontdekt.”

Hij voegde er echter aan toe: “Als je zoiets groots gaat zeggen als dat we het standaardmodel van de deeltjesfysica hebben gebroken, en er zijn nieuwe deeltjes te ontdekken, om mensen ervan te overtuigen dat je waarschijnlijk meer dan één meting van meer dan een.”

“Het is nu aan de theoretische natuurkundegemeenschap en andere experimenten om dit op te volgen en licht te werpen op dit mysterie”, zei CDF-woordvoerder David Tupac.

En na een decennium van metingen moet Kotwal nog worden gemaakt.

“We volgen de aanwijzingen en laten geen middel onbeproefd, dus we zullen ontdekken wat dit betekent.”