Vijfde natuurkracht – aanwijzingen stapelen zich op

Grote opwinding op het CERN, na vreemde metingen die niet met het Standaardmodel verklaard kunnen worden. Is er een vijfde natuurkracht?

De vier (of drie, of twee) bekende natuurkrachten

Er zijn op dit moment vier bekende natuurkrachten. De elektromagnetische kracht, de sterke kernkracht, de zwakke kernkracht en de zwaartekracht. Maar wacht. Volgens de algemene relativiteitstheorie is de zwaartekracht geen kracht, maar een pseudokracht. Een effect, veroorzaakt door de kromming van ruimtetijd. In de buurt van zware voorwerpen verloopt de tijd langzamer en krimpt het volume. Ook de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht vormen in feite één (elektrozwakke) kracht, toonden Abdus Salam en Sheldon Glashow aan. Bij hogere energieën smelten deze twee krachten samen. Dus in feite zijn er maar twee bekende krachten, en een pseudokracht. Deze twee krachten worden nauwkeurig beschreven door het Standaardmodel, en de zwaartekracht door de algemene relativiteitstheorie.

Waarom denken sommigen dat er een vijfde natuurkracht is?

Tot nu toe kon het Standaardmodel de uitkomsten van alle experimenten nauwkeurig voorspellen. Weliswaar kan kwantummechanica (en dus het Standaardmodel) de uitkomst van een individuele botsing niet nauwkeurig voorspellen, maar de statistische verdeling van een groot aantal botsingen wel. Wijkt de gemeten verdeling sterk af van de voorspelling, dan is dit een teken dat er een onbekend natuurkundig effect is. Bijvoorbeeld, veroorzaakt door een vijfde kracht.

Dit is wat waarschijnlijk is waargenomen bij het uiteenvallen van bottom quarks. De bottom quark en top quark zijn de zwaarste (derde generatie) quarks. Het Standaardmodel voorspelt dat een vast percentage van de bottom quarks uiteenvalt in leptonparen (elektronenparen of muonparen; tauonparen zijn te zwaar), en strange quarks. De werkelijke verdeling wijkt af van de voorspelling: er worden meer elektron-positronparen gevormd (en minder muon/antimuon-paren) dan verwacht. Er bestaan theoretische modellen om dit te verklaren. Deze vereisen alleen deeltjes die niet in het Standaardmodel voorkomen of kunnen bestaan. Met andere woorden: deeltjes die een nog onbekende kracht overbrengen. Dit is vastgesteld met een nauwkeurigheid van 3,1 sigma (met een kans van rond 1/1000 dat dit op toeval berust).

Eén van de theorieën om deze meetwaarden te verklaren is het bestaan van leptoquarks. Dat zijn deeltjes die zowel met leptonen als met quarks kunnen reageren en leptonen in quarks kunnen omzetten (en andersom). Dit kan niet volgens het Standaardmodel.

De vijfde natuurkracht

De ontdekking van een vijfde natuurkracht zou sensationeel nieuws zijn. De ontdekking van elektromagnetisme bracht ons de wereld van nu, die van de sterke kernkracht kernenergie. Een vijfde natuurkracht betekent een nieuw wereldbeeld, en nieuwe technieken. Mogelijk zelfs een complete technische revolutie, zoals na de ontdekking van elektriciteit. Maar 3,1 sigma is niet indrukwekkend betrouwbaar. De kans is ongeveer 1:1000 dat deze waarneming op toeval berust, en omdat er enorm veel metingen worden geanalyseerd komen dit soort toevalligheden vaak voor. Daarom gaan natuurkundigen hier voor de vijf sigma, zodat het zeker is dat dit geen vals alarm is. Dat komt overeen met een kans van kleiner dan 1 op een miljoen. Helaas wordt nu (begin 2021) de LHC opgevoerd, waardoor de experimenten pas over een jaar weer kunnen beginnen en de vijf sigma binnen bereik komt. Tot die tijd zit het natuurkundige wereldje met gekromde tenen.