De wetenschappers onderzochten het standaardmodel voor deeltjesfysica dat voorspelt hoe elementaire deeltjes zich gedragen, op elkaar inwerken en uiteindelijk grotere structuren vormen zoals atoomkernen, atomen en moleculen. Het model omvat de waarden van fundamentele natuurconstanten, zoals de massa van het elektron en de lichtsnelheid. De resultaten van enkele recente experimenten wijzen echter op gedrag dat verklaard zou kunnen worden door onbekende natuurkrachten of nieuwe deeltjes. De wetenschappers onderzochten zes mogelijke nieuwe-fysicamodellen die bijvoorbeeld het bestaan van aan het beroemde Higgs-boson verwante deeltjes veronderstellen. Alle bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.
Onbekende natuurkrachten
De waarden van de fundamentele constanten worden om de paar jaar aangepast door CODATA (Committee on Data for Science and Technology) zodat de theoretische voorspellingen van het standaardmodel voor deeltjesfysica zo goed mogelijk overeenkomen met de experimentele resultaten. Uit recente aanpassingen door CODATA bleek dat sommige experimentele resultaten niet volledig stroken met de gevonden fundamentele constanten. Koelemeij: “Dit probleem werd omzeild door de onzekerheid van deze experimentele gegevens te vergroten zodat de inconsistentie verwaterde, maar het is ook mogelijk dat de inconsistentie het gevolg is van nieuwe natuurkundige verschijnselen. Het standaardmodel is namelijk niet meer geldig zodra er één deeltje of kracht is die buiten het standaardmodel zou kunnen bestaan.”
Mogelijke nieuwe natuurkundige modellen
In hun studie laten de wetenschappers een aangepaste CODATA-procedure zien waarin de theoretische voorspelling van het standaardmodel is uitgebreid met het hypothetische effect van een nieuw deeltje. De theorie die dit nieuwe deeltje beschrijft, wordt dan gekenmerkt door zijn eigen fundamentele constanten, bijvoorbeeld de massa van het nieuwe deeltje. In één van de zes mogelijke nieuwe natuurkundige modellen die de wetenschappers onderzochten, deed de invoering van een nieuw deeltje de inconsistenties verdwijnen. Het nieuwe deeltje zorgde er ook voor dat de waarden van sommige bestaande fundamentele constanten aanzienlijk veranderden ten opzichte van hun huidige CODATA-waarden.
Toch benadrukken de wetenschappers dat hun resultaten niet mogen worden opgevat als de ontdekking van een nieuw deeltje. Zij wijzen op meetgegevens van deeltjesversnellerexperimenten die enkele van de door hen voorgestelde hypothetische modellen uitsluiten. Desondanks biedt hun werk een nieuwe, consistente manier om fundamentele constanten op te nemen in modellen die mogelijke nieuwe natuurkundige krachten of deeltjes proberen te verklaren. Hierdoor kan hun onderzoek uiteindelijk helpen de vraag te beantwoorden welke onbekende natuurkunde voorbij het standaardmodel ligt.
Beeld: camerabeeld afkomstig van een van de precisiemetingen die in de studie zijn meegenomen. Te zien zijn lasergekoelde atomen en moleculen, waarvan de eigenschappen zowel experimenteel als theoretisch met hoge precisie zijn bestudeerd om sporen van nieuwe natuurkrachten en elementaire deeltjes te ontdekken.