(from Universe Today.com) Het universum wordt bestuurd door vier fundamentele krachten: zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten. Deze krachten sturen de beweging en het gedrag van alles wat we om ons heen zien. Tenminste dat vinden wij. Maar de afgelopen jaren zijn er steeds meer aanwijzingen voor een vijfde fundamentele kracht. Nieuw onderzoek heeft deze vijfde kracht niet ontdekt, maar het laat wel zien dat we deze kosmische krachten nog steeds niet volledig begrijpen.
De fundamentele krachten maken deel uit van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Dit model beschrijft alle verschillende kwantumdeeltjes die we waarnemen, zoals elektronen, protonen, antimaterie en dergelijke. Quarks, neutrino’s en het Higgs-deeltje maken allemaal deel uit van het model.
De term “kracht” in het model is een beetje een verkeerde benaming. In het standaardmodel is elke kracht het resultaat van een type dragerboson. Fotonen zijn het dragerboson voor elektromagnetisme. Gluonen zijn de dragerbosonen voor de sterke, en bosonen die bekend staan als W en Z zijn voor de zwakken. Zwaartekracht maakt technisch gezien geen deel uit van het standaardmodel, maar er wordt aangenomen dat kwantumzwaartekracht een boson heeft dat bekend staat als het graviton. We begrijpen kwantumzwaartekracht nog steeds niet volledig, maar een idee is dat zwaartekracht kan worden verenigd met het standaardmodel om een grote verenigde theorie (GUT) te produceren.
Elk deeltje dat we ooit hebben ontdekt, maakt deel uit van het standaardmodel. Het gedrag van deze deeltjes komt zeer nauwkeurig overeen met het model. We hebben naar deeltjes gezocht die verder gaan dan het standaardmodel, maar tot nu toe hebben we er nog nooit een gevonden. Het standaardmodel is een triomf van wetenschappelijk inzicht. Het is het toppunt van dekwantumfysica.
Deeltjes en interactiebosonen van het standaardmodel. Credit: Particle Data Group
Om te beginnen weten we nu dat het standaardmodel niet kan combineren met de zwaartekracht op de manier waarop we dachten. In het standaardmodel “verenigen” de fundamentele krachten zich op hogere energieniveaus. Elektromagnetisme en de zwakken combineren in de elektrozwakke, en de elektrozwakke verenigt zich met de sterken om de elektro nucleaire kracht te worden. Bij extreem hoge energieën zouden de elektro nucleaire en gravitatiekrachten zich moeten verenigen. Experimenten in de deeltjesfysica hebben aangetoond dat de unificatie-energieën niet overeenkomen.
Maar we zijn begonnen te leren dat het een aantal ernstige problemen heeft.
Observations of galaxies show the distribution of dark matter. Credit: X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey & NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Optical & Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) and R. Massey (Durham University, UK)
Meer problematisch is de kwestie van donkere materie. Donkere materie werd voor het eerst voorgesteld om te verklaren waarom sterren en gas aan de buitenrand van een melkwegstelsel sneller bewegen dan voorspeld door de zwaartekracht. Ofwel is onze zwaartekrachttheorie op de een of andere manier fout, of er moet een onzichtbare (donkere) massa in sterrenstelsels zijn. In de afgelopen vijftig jaar is het bewijs voor donkere materie echt sterk geworden. We hebben waargenomen hoe donkere materie sterrenstelsels clustert, hoe het wordt verdeeld binnen bepaalde sterrenstelsels en hoe het zich gedraagt. We weten dat het geen sterke wisselwerking heeft met gewone materie of zichzelf, en het vormt de meerderheid van de massa in de meeste sterrenstelsels.
We don’t understand most of the universe. Credit: Chandra X-ray Observatory
Dan is er donkere energie. Gedetailleerde waarnemingen van verre sterrenstelsels laten zien dat het heelal zich steeds sneller uitbreidt. Er lijkt een soort energie te zijn die dit proces aandrijft, en we begrijpen niet hoe. Het kan zijn dat deze versnelling het gevolg is van de structuur van ruimte en tijd, een soort kosmologische constante die ervoor zorgt dat het heelal uitdijt. Het kan zijn dat dit wordt aangedreven door een nieuwe kracht die nog moet worden ontdekt. Wat donkere energie ook is, het maakt meer dan twee derde van het universum uit.
Maar er is geen deeltje in het standaardmodel dat donkere materie zou kunnen vormen. Het is mogelijk dat donkere materie gemaakt kan worden van zoiets als kleine zwarte gaten, maar astronomische gegevens ondersteunen dat idee niet echt. Donkere materie is hoogstwaarschijnlijk gemaakt van een nog onontdekt deeltje, een deeltje dat het standaardmodel niet voorspelt.
Dit alles wijst erop dat het standaardmodel op zijn best onvolledig is. Er zijn dingen die we fundamenteel missen in de manier waarop het universum werkt. Er zijn veel ideeën voorgesteld om het standaardmodel te repareren, van supersymmetrie tot nog onontdekte quarks, maar één idee is dat er een vijfde fundamentele kracht is. Deze kracht zou zijn eigen dragerboson(en) hebben, evenals nieuwe deeltjes die verder gaan dan degene die we hebben ontdekt.
Deze vijfde kracht zou ook interageren met de deeltjes die we hebben waargenomen op subtiele manieren die in tegenspraak zijn met het standaardmodel. Dit brengt ons bij een nieuw artikel dat beweert bewijs te hebben voor een dergelijke interactie.
Het artikel kijkt naar een anomalie in het verval van helium-4-kernen en bouwt voort op een eerdere studie van beryllium-8-verval. Beryllium-8 heeft een onstabiele kern die vervalt in twee kernen van helium-4. In 2016 ontdekte het team dat het verval van beryllium-8 het standaardmodel enigszins lijkt te schenden. Wanneer de kernen zich in een aangeslagen toestand bevinden, kan het een elektron-positron-paar uitzenden terwijl het vervalt. Het aantal waargenomen paren onder grotere hoeken is hoger dan het standaardmodel voorspelt, en staat bekend als de Atomki-anomalie.
Er zijn veel mogelijke verklaringen voor de anomalie, waaronder een experimentfout, maar een verklaring is dat het wordt veroorzaakt door een boson, het team genaamd X17. Het zou het dragerboson zijn voor een (nog onbekende) vijfde fundamentele kracht, met een massa van 17 MeV. In het nieuwe artikel vond het team een vergelijkbare discrepantie in het verval van helium-4. Het X17-deeltje zou deze anomalie ook kunnen verklaren.
Hoewel dit opwindend klinkt, is er reden om voorzichtig te zijn. Als je naar de details van het nieuwe artikel kijkt, zijn er een beetje vreemde gegevensaanpassingen. Kortom, het team gaat ervan uit dat X17 nauwkeurig is en laat zien dat de gegevens kunnen worden aangepast aan hun model. Aantonen dat een model de anomalieën kan verklaren, is niet hetzelfde als bewijzen dat je model de anomalieën verklaart. Andere verklaringen zijn mogelijk. Als X17 bestaat, hadden we het ook in andere deeltjesexperimenten moeten zien, en dat hebben we niet. Het bewijs voor deze “vijfde kracht” is echt zwak.
De vijfde kracht zou kunnen bestaan, maar die hebben we nog niet gevonden. Wat we wel weten is dat het standaardmodel niet helemaal klopt, en dat betekent dat er een aantal zeer interessante ontdekkingen wachten om ontdekt te worden.
======================================================================
English (original)
A Fifth Fundamental Force Could Really Exist, But We Haven’t Found It Yet
The universe is governed by four fundamental forces: gravity, electromagnetism, and the strong and weak nuclear forces. These forces drive the motion and behavior of everything we see around us. At least that’s what we think. But over the past several years there’s been increasing evidence of a fifth fundamental force. New research hasn’t discovered this fifth force, but it does show that we still don’t fully understand these cosmic forces.
The fundamental forces are a part of the standard model of particle physics. This model describes all the various quantum particles we observe, such as electrons, protons, antimatter, and such. Quarks, neutrinos and the Higgs boson are all part of the model.
The term “force” in the model is a bit of a misnomer. In the standard model, each force is the result of a type of carrier boson. Photons are the carrier boson for electromagnetism. Gluons are the carrier bosons for the strong, and bosons known as W and Z are for the weak. Gravity isn’t technically part of the standard model, but it’s assumed that quantum gravity has a boson known as the graviton. We still don’t fully understand quantum gravity, but one idea is that gravity can be united with the standard model to produce a grand unified theory (GUT).
Every particle we’ve ever discovered is a part of the standard model. The behavior of these particles matches the model extremely accurately. We have looked for particles beyond the standard model, but so far we have never found any. The standard model is a triumph of scientific understanding. It is the pinnacle of quantum physics.
Particles and interaction bosons of the standard model. Credit: Particle Data Group
To begin with, we now know the standard model can’t combine with gravity in the way that we thought. In the standard model, the fundamental forces “unify” at higher energy levels. Electromagnetism and the weak combine into the electroweak, and the electroweak unifies with the strong to become the electronuclear force. At extremely high energies the electronuclear and gravitational forces should unify. Experiments in particle physics have shown that the unification energies don’t match up.
But we’ve started to learn it has some serious problems.
Observations of galaxies show the distribution of dark matter. Credit: X-ray: NASA/CXC/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland/D.Harvey & NASA/CXC/Durham Univ/R.Massey; Optical & Lensing Map: NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland) and R. Massey (Durham University, UK)
More problematic is the issue of dark matter. Dark matter was first proposed to explain why stars and gas on the outer edge of a galaxy move faster than predicted by gravity. Either our theory of gravity is somehow wrong, or there must be some invisible (dark) mass in galaxies. Over the past fifty years, the evidence for dark matter has gotten really strong. We’ve observed how dark matter clusters galaxies together, how it is distributed within particular galaxies, and how it behaves. We know it doesn’t interact strongly with regular matter or itself, and it makes up the majority of mass in most galaxies.
We don’t understand most of the universe. Credit: Chandra X-ray Observatory
Then there is dark energy. Detailed observations of distant galaxies show that the universe is expanding at an ever-increasing rate. There seems to be some kind of energy driving this process, and we don’t understand how. It could be that this acceleration is the result of the structure of space and time, a kind of cosmological constant that causes the universe to expand. It could be that this is driven by some new force yet to be discovered. Whatever dark energy is, it makes up more than two-thirds of the universe.
But there is no particle in the standard model that could make up dark matter. It’s possible that dark matter could be made of something such as small black holes, but astronomical data doesn’t really support that idea. Dark matter is most likely made of some yet undiscovered particle, one the standard model doesn’t predict.
All of this points to the fact that the standard model is, at best, incomplete. There are things we are fundamentally missing in the way the universe works. Lots of ideas have been proposed to fix the standard model, from supersymmetry to yet undiscovered quarks, but one idea is that there is a fifth fundamental force. This force would have its own carrier boson(s) as well as new particles beyond the ones we’ve discovered.
This fifth force would also interact with the particles we have observed in subtle ways that contradict the standard model. This brings us to a new paper claiming to have evidence of such an interaction.
The paper looks at an anomaly in the decay of helium-4 nuclei, and it builds off an earlier study of beryllium-8 decays. Beryllium-8 has an unstable nucleus that decays into two nuclei of helium-4. In 2016 the team found that the decay of beryllium-8 seems to violate the standard model slightly. When the nuclei are in an excited state, it can emit an electron-positron pair as it decays. The number of pairs observed at larger angles is higher than the standard model predicts, and is known as the Atomki anomaly.
There are lots of possible explanations for the anomaly, including experiment error, but one explanation is that it’s caused by boson the team named X17. It would be the carrier boson for a (yet unknown) fifth fundamental force, with a mass of 17 MeV. In the new paper, the team found a similar discrepancy in the decay of helium-4. The X17 particle could also explain this anomaly.
While this sounds exciting, there’s reason to be cautious. When you look at the details of the new paper, there’s a bit of odd data tweaking. Basically, the team assumes X17 is accurate and shows that the data can be made to fit with their model. Showing that a model can explain the anomalies isn’t the same as proving your model does explain the anomalies. Other explanations are possible. If X17 does exist, we should have also seen it in other particle experiments, and we haven’t. The evidence for this “fifth force” is really weak.
The fifth force could exist, but we haven’t found it yet. What we do know is that the standard model doesn’t entirely add up, and that means some very interesting discoveries are waiting to be found.
Source: New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle https://arxiv.org/abs/1910.10459 , by Krasznahorkay, A. J., et al.
Source: Observation of anomalous internal pair creation in be 8: A possible indication of a light, neutral boson, https://arxiv.org/abs/1504.01527 by Krasznahorkay, A. J., et al.
Je moet ingelogd zijn om een reactie te plaatsen.