Hebben Hongaarse natuurkundigen met een simpele meetopstelling een nieuwe natuurkracht ontdekt die alle grote versnellers en detectoren al decennia over het hoofd zien? Niet waarschijnlijk, denken de meeste deeltjesfysici.
Kranten en bladen berichtten al weken over het mysterieuze X17-deeltje dat de drager zou kunnen zijn van een onbekende, vijfde fundamentele kracht. Het deeltje zou een rol spelen bij het verval van instabiele kernen van beryllium-8 en helium-4. Volgens de handboeken zenden zulke kernen na vorming hun overschot aan energie uit als een lichtdeeltje, een foton, dat daarna een elektron en een anti-elektron vormt.
De lichtsnelheid van het foton maakt dat het elektron en positron na hun ontstaan in vrijwel dezelfde richting verder bewegen. In een detector slaan ze vlak naast elkaar in.
Maar uit de metingen van het Instituut voor Nucleaire Research in Debrecen, Hongarije, bleek in 2015 voor het eerst dat zo’n paar van een elektron en positron heel af en toe bijna haaks (een onderlinge hoek van 140 graden) op elkaar worden uitgezonden. Hoe was onduidelijk, maar statistisch leek het effect onmiskenbaar. Nu rapporteert dezelfde groep een vergelijkbare anomalie in helium-4, onder een hoek van 110 graden.
Nadat in 2015 de Debrecen-anomalie in Physical Review Letters was gepubliceerd, kwam een Amerikaanse groep van de universiteit van Californië met een opmerkelijke verklaring.
Bij het verval ontstaat volgens hun theorie nu en dan geen foton, maar een onbekend deeltje dat veel trager beweegt dan een foton. Als dat trage deeltje na korte tijd een elektron-positronpaar vormt, vliegen die bijna haaks op de aanvankelijke beweging uit elkaar. Ze treffen de detector ver van elkaar.
Volgens de Amerikanen is de uitkomst van de experimenten te begrijpen als er een onbekend licht deeltje van ongeveer 35 elektronmassa’s uit de atoomkern komt, in plaats van een foton. Zo’n traag deeltje moet volgens de deeltjesboekhouding een vectorboson zijn, een deeltje met een spin. Maar het is niet een van de bekende vectorbosonen uit het Standaard Model.
In de natuurkunde zijn tot nog toe vier fundamentele krachten bekend. Zwaartekracht is er een, het elektromagnetisme, en de zwakke en sterkte kernkrachten de overige. In het Standaardmodel worden krachten door vectorbosonen overgebracht, die allemaal bekend lijken: het foton, het gluon en W en Z.
In de logica van het Standaard Model betekent een nieuw X-boson ook dat er een onbekende vijfde natuurkracht moet zijn. Dat zou een reusachtige ontdekking zijn. Goed voor de hoogste eer, de Nobelprijs, schreven kranten en andere media de laatste maanden.
Maar heel waarschijnlijk is dat voorlopig niet. De Hongaarse groep zelf noemt het experiment met helium-4 een bevestiging van de eerdere meting in beryllium-8. Maar in allerlei wetenschappelijke columns en bladen hebben fysici zich al sinds 2016 sceptisch uitgelaten over de Hongaarse metingen.
De groep heeft een geschiedenis van ingetrokken claims op het gebied van vreemd atoomverval, die bij nader inzien statistische missers bleken. Bij die metingen was tussen 2001 en 2005 ook de in 2010 overleden Nederlandse natuurkundige Fokke de Boer betrokken. Volgens critici rapporteert de groep bij voorkeur uitschieters, en nooit nulresultaten.
Het nieuwe helium-4 experiment mag volgens de meeste commentaren geen bevestiging van het beryllium-experiment heten, omdat het in dezelfde meetopstelling is gedaan. De calibratie daarvan roept zoveel vragen op dat sommigen zich afvragen waarom een topblad als Physics Review Letters de resultaten publiceert.
Het belangrijkste vraagteken bij de metingen van de kernfysici is echter waarom een X-boson van 34 elektronmassa’s niet allang is ontdekt. In talloze versnellerexperimenten had het de afgelopen decennia gewoon moeten opduiken. Dat is niet zo.
Volgens een aantal theoretici komt dat overigens omdat de vijfde kracht geen vat heeft op protonen, net zoals elektromagnetisme niks doet met ongeladen deeltjes.
Op CERN deed het NA64-experiment na de melding in 2015 ook een rechtstreekse speurtocht naar het X-boson, door elektronen uit de SPS-versneller op een vast doelwit te schieten. Daarbij werd niets gevonden. Ook in de metingen van LHCb is er tot nog toe niets van te zien.
Bij CERN wordt het nieuwe helium-4 resultaat in zoverre serieus genomen dat het NA64-experiment nogmaals rechtstreeks naar het X17-deeltje op zoek gaat. Inmiddels gaan er ook stemmen op om in de metingen met de LHCb-detector naar het deeltje te speuren. Of dat gaat gebeuren, is nog onduidelijk.
