Fysici zien extreem zeldzame gebeurtenis die de natuurkunde op z’n kop kan zetten

Het ‘kaon’ is niet bepaald iets wat voorbij zal komen bij het dagelijks gesprek bij de koffieautomaat – tenzij die automaat toevallig staat op de burelen van het vermaarde natuurkunde-instituut Cern in Genève. Daar richten de ogen zich op dit moment namelijk op precies dat deeltje, een van de verschillende typen subatomaire deeltjes die fysici kennen.

Fysici onthulden deze week op een seminar bij Cern dat ze in het speciaal daarvoor opgezette NA62-experiment, waarmee ze zulke kaonen bestuderen, iets zagen dat je nog het best kunt vergelijken met een muntje dat na het opgooien geen kop of munt oplevert, maar op de zijkant landt – en dan nog vele malen zeldzamer.

Waar een muntje namelijk eens in de zesduizend keer op z’n kant landt, zo hadden fysici decennia terug al eens berekend, gebeurt wat zij in hun experiment zagen slechts 13 op de 100 miljard (!) keer. Het is daarmee het zeldzaamste deeltjesverval dat mensen ooit zagen.

Gouden standaard

Meer specifiek gaat het om het uiteenvallen van een geladen kaon, kort nadat dit in het experiment is ontstaan, in drie andere deeltjes. Voor de kenners: een geladen pion en een neutrino-antineutrino-paar.

In hun experiment hebben de fysici dat verval nu vaak genoeg gezien om het te kunnen bevestigen. De meting passeerde de in fysicakringen gehanteerde gouden standaard van ‘5 sigma’: in vakjargon betekent dat dat de kans dat de vondst alleen ruis was slechts 0,00006 procent bedraagt.

Het standaardmodel van de deeltjesfysica, dat alle deeltjes en de krachten die op die deeltjes werken in een enkel wiskundig raamwerk vangt, voorspelt heel exact hoe vaak het kaon op deze manier moet vervallen. Dat is de reden dat fysici zo geïnteresseerd zijn in dat verval: een afwijking van het standaardmodel zou vanwege de strakke voorspelling daar wellicht het snelst op kunnen duiken.

Heilige graal

Fysici hebben namelijk sterke vermoedens dat er méér moet zijn dan het standaardmodel. Zo past bijvoorbeeld de beschrijving van de zwaartekracht niet in dat raamwerk. Het vinden van natuurkunde voorbij het standaardmodel is daarom de belangrijkste heilige graal uit het moderne onderzoek.

En, wat blijkt: in dit experiment vervalt het kaon ongeveer anderhalf keer vaker op deze zeldzame wijze dan je zou mogen verwachten op basis van het standaardmodel.

‘We hadden bij dit experiment niet op meer kunnen hopen’, zegt deeltjesfysicus Wouter Hulsbergen van het Nederlands natuurkunde-instituut Nikhef, zelf niet betrokken bij dit onderzoek. ‘Wat ze hier zien, kan bijvoorbeeld veroorzaakt zijn door nog onbekende zware deeltjes.’

Flinke revisie

‘Maar we moeten ons enthousiasme vooralsnog wel iets matigen’, waarschuwt hij ook. De statistische zekerheid van de overtreding van het standaardmodel ligt namelijk lager dan de meting van het verval zelf – rond de 2 sigma – zodat de kans dat het hier een statistisch fata morgana betreft, te groot is om de champagne al te ontkurken.

‘Toch is iedereen in dit veld hier heel enthousiast over. Maar voor het eindoordeel moeten we nog een paar jaar wachten, totdat dit experiment meer metingen heeft gedaan’, zegt hij. Pas wanneer dit muntje-op-z’n-kant van de natuurkundewereld veel vaker is gezien, kunnen fysici met zekerheid zeggen dat de natuurkundeboeken inderdaad toe zijn aan een flinke revisie.