vijfde natuurkracht

Een nieuwe bevestiging door een Hongaars team van het bestaan van een nog onbekend boson, deze keer bij het verval van helium, doet vermoeden dat we een nog onbekend deeltje op het spoor zijn – en hiermee een deeltje dat niet in het Standaardmodel voorkomt. Als dit experiment wordt gereproduceerd.

Ontbrekende impuls
In 2016 deed het team metingen aan de terugval van een aangeslagen beryllium-8 kern. Aangeslagen atoomkernen bevinden zich op een hoger energieniveau dan kernen in de grondtoestand. Na verloop van tijd springen ze terug in de grondtoestand, waarbij ze de extra energie in de vorm van een deeltje, doorgaans een foton of deeltjespaar, uitzenden. Dit is een welbekend proces binnen de atoomfysica. We weten ook hoe atoomkernen zich in dit geval gedragen. Onder de ijzeren wet van behoud van impuls, moeten alle uitgezonden deeltjes een opgetelde impuls van nul hebben. Als bijvoorbeeld een deeltje onder een hoek van 15 graden naar rechts afbuigt, moet een even zwaar deeltje 15 graden naar links afbuigen, of bijvoorbeeld een half zo zwaar deeltje 30 graden naar links. Als deze optelsom niet meer klopt, moet er een ontbrekend deeltje zijn. Op deze manier is tachtig jaar geleden ook het neutrino ontdekt. Bij het radioactief verval van atoomkernen ontdekten de onderzoekers dat er een kleine hoeveelheid impuls ontbrak. Deze impuls bleek toe te behoren aan een nog onbekend deeltje, waarvan we nu weten dat dat dit het neutrino is.

Dit is ongeveer wat de onderzoekers waarnamen bij de berylliumkernen. Deze vielen terug in de grondtoestand, bij uitzending van een onbekend deeltje. Dit deeltje viel in korte tijd uiteen in een elektron positronpaar. Het experiment werd in de jaren daarna herhaald, deze keer met een helium-4 kern. Ook hier bleek een onbekend deeltje met een vergelijkbare massa vrij te komen. Op grond hiervan vermoedt het team dat het om hetzelfde deeltje gaat, dat ze het ‘X17-boson’ hebben gedoopt.

We weten van het X17-deeltje dat het uiteenvalt in een elektron positronpaar en ongeveer 35 maal zo zwaar is als het elektron, iets onder de 17 MeV/c². Vandaar de voorlopige naam. Het deeltje reageert alleen met neutronen, niet met protonen, omdat het ‘protonfobisch’ zou zijn[3]. Dit gedrag is omgekeerd aan dat van fotonen, die wel reageren op protonen (en elektronen) maar niet op de elektrisch neutrale neutronen. Dit zou ook verklaren waarom dit deeltje tot nu toe niet ontdekt is.

Geen natuurkundige is er tot nu toe in geslaagd om binnen het standaardmodel een verklaring te vinden voor X17. Dat zou betekenen dat we voor het eerst een deeltje hebben waargenomen dat niet binnen het Standaardmodel past – en hiermee de poort opent naar nieuwe natuurkunde en een vijfde natuurkracht.

Hoe zeker zijn deze ontdekkingen?
De meetnauwkeurigheid is groot. De kans dat deze uitkomsten op toeval berusten is 7,1 sigma, m.a.w. kleiner dan 1 op de 400 miljard [2]. Dat, gecombineerd met het eerdere experiment, maakt dat we – uitgaande van het werk van deze groep – kunnen concluderen dat deze metingen valide zijn en er daadwerkelijk een nieuw, onbekend verschijnsel is waargenomen, dat tot nu toe niet met het bekende Standaardmodel is te verklaren. Het is niet uit te sluiten dat we een verklaring over het hoofd zien, al is deze kans klein. Met redelijk grote waarschijnlijkheid is hier dus sprake van ‘nieuwe natuurkunde’. Eindelijk. En dat nog wel buiten het enorme LHC-experiment, dat alleen het bestaan van het Higgs-boson aan heeft getoond.

Wel bestaan er binnen de natuurkundige gemeenschap de nodige twijfels over deze waarnemingen, vooral omdat deze groep al eerder soortgelijke claims deed, die deze – door gebruik van nauwkeuriger meetapparatuur – moest terugtrekken [4]. Hopelijk komt er snel een experiment van een andere groep, waarin deze waarnemingen worden bevestigd.

Wat zijn de gevolgen?
Net zoals het gedrag van een biljartbal prima te beschrijven is met Newtoniaanse middelbare school natuurkunde en het niet nodig is hier de relativiteitstheorie op los te laten, zal in het dagelijks leven deze ontdekking weinig gevolgen hebben. Op korte termijn. Zodra we er in slagen om vergelijkingen voor deze nieuwe natuurkracht op te stellen, dan opent dit nu nog ongekende mogelijkheden. Mogelijk kunnen we door middel van de nieuwe natuurkunde de raadsels van donkere materie en donkere energie blootleggen. Zouden we hier in slagen, en beide natuurverschijnselen leren te benutten, dan ligt het heelal voor ons open en mogelijk zelfs tot Kardashev-IV beschaving uit kunnen groeien. Mogelijk zullen de gevolgen beperkt blijven, zoals met bijvoorbeeld de ontdekking van het neutrino waar we nog vrij weinig mee kunnen.

Bronnen
1. Presentatie 8Be-anomalie, CNNP, Catania, 2017
2. A.J. Krasznahorkay, M. Csatlós, L. Csige, J. Gulyás, M. Koszta, B. Szihalmi en J. Timár, New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle, ArXiv preprint server, 2019 (ingezonden voor Physical Review Letters)
3. Jonathan L. Feng, Bartosz Fornal, Iftah Galon, Susan Gardner, Jordan Smolinsky, Tim M. P. Tait, Philip Tanedo,  Protophobic Fifth Force Interpretation of the Observed Anomaly in 8Be Nuclear Transitions, ArXiv preprint server, 2016 (published in Prl)
4. Evidence of a ‘Fifth Force’ Faces Scrutiny, Quanta Magazine, 2016