A Fifth Force of Nature – We’ll Try to Explain

Je hebt deze week misschien een paar krantenkoppen gezien over de ontdekking van een vijfde fundamentele natuurkracht. Misschien heeft u er zelfs wat over gelezen, maar daarna bent u waarschijnlijk gestopt met lezen, want… deeltjesfysica, quanta, bosonen, krachtdragers…

Stap weg van de artikelen: We zijn hier om te helpen.

Als u zich iets herinnert van de natuurkunde die u op school leerde, is het mogelijk dat u zich herinnert dat er vier fundamentele natuurkrachten zijn.

Ze zijn in willekeurige volgorde zwaartekracht, elektromagnetisme, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht.

Vijfde? Moet ik die andere vier kennen?

Zwaartekracht is vrij eenvoudig te begrijpen: twee dingen met massa (atomen, mensen, planeten, sterren) worden naar elkaar toegetrokken. Hoe groter de massa, hoe sterker de aantrekkingskracht. Easy peasy.

Electromagnetisme? Nou dat is simpel, het is elektriciteit en magnetisme door elkaar. Ja, maar dat verklaart niet echt hoe het werkt. De elektromagnetische kracht verklaart hoe dingen die elektrisch geladen zijn (positief of negatief) met elkaar reageren. Een van de belangrijkste resultaten is dat een magnetische lading een elektrische lading kan creëren, en omgekeerd. Deze interacties zijn verantwoordelijk voor het opwekken van elektrische energie, en dat is nogal wat. Elektromagnetisme en hoe het objecten duwt en trekt is verantwoordelijk voor de energie in dingen als batterijen en magneten, maar het omvat ook licht, wat gewoon golven van elektromagnetische straling zijn.

De andere twee zijn de zwakke en de sterke kernkracht en hoewel ze allebei sterker zijn dan de zwaartekracht, werken ze alleen in de kleine ruimtes tussen atomen, en de nog kleinere ruimtes waar de kwantumfysica alles heel raar begint te maken.

De sterke kernkracht is in feite de sterkste van de vier bekende krachten en in feite de lijm die alles samenbindt. Zij is verantwoordelijk voor het stabiel houden van protonen en neutronen (die samen met elektronen atomen vormen) en stelt deze in staat zich te binden tot atoomkernen. De zwakke kracht daarentegen is verantwoordelijk voor radioactief verval, het tegenovergestelde van de sterke kracht, en regelt hoe dingen op nucleair niveau uit elkaar vallen. Oh en trouwens, het is verantwoordelijk voor fusie, en houdt onze zon helder en warm. Dat zijn de vier krachten, zonder al te diep in te gaan op hoe deze dingen werken.

Maar we moeten wel een beetje in het onkruid tasten, want we moeten weten waardoor de zwaartekracht of een van de andere krachten hun werk doen.

Beweegt een massief lichaam op magische wijze naar een ander massief ding toe? Nee, het wordt mogelijk gemaakt door deeltjes die krachtdragers heten. Krachtdragers zijn deeltjes die informatie tussen dingen overbrengen en ze vertellen hoe ze zich moeten gedragen. Denk aan krachtdragers als kleine zakjes grondwet voor elk van de vier fundamentele krachten. Ze leggen niet alleen alle regels vast voor hoe ze zich moeten gedragen, maar dwingen ook de krachten (ha) om volgens die regels te handelen.

De krachtdragers voor de zwaartekracht zijn hypothetische dingen die gravitonen worden genoemd, voor het elektromagnetisme zijn dat de fotonen. Voor de zwakke kernkracht heten de krachtdragers W- en Z-deeltjes, en voor de sterke kernkracht gluonen. Deze krachtdragers zijn alle geclassificeerd als voorbeelden van bosonen.

Maar vorig jaar zag een groep natuurkundigen van de Hongaarse Academie van Wetenschappen wat de natuurkunde-afdeling van de Universiteit van Californië in Irvine (UCI) “raadselachtige anomalieën in hun experimentele gegevens” noemde. De Hongaren waren er niet zeker van wat de anomalieën waren, maar zij wezen op het bestaan van een nieuw soort lichtdeeltje. Verder kwamen ze niet. Ze konden niet achterhalen of dit nieuwe deeltje massa had, of dat het een nieuw soort boson was zonder massa, zoals een foton.

Helaas, om Abraham Lincoln te parafraseren, heeft de wereld het werk van de Hongaarse wetenschappers “weinig opgemerkt noch lang onthouden”.

Met uitzondering van een team van natuurkundigen onder leiding van Jonathan Feng, UCI hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. Samen met zijn team bekeek Feng het werk van de Hongaren, verzamelde een groot aantal andere soortgelijke experimenten en besloot dat de Hongaren in feite een nieuw soort krachtdragend boson zouden kunnen hebben gevonden.

“Soms,” zegt Feng, “noemen we het ook gewoon het X-boson, waarbij X onbekend betekent.” Als ze gelijk hebben, betekent een nieuw krachtdrager deeltje dat er een nieuwe kracht moet zijn, een vijfde fundamentele kracht.

Het werk van de teams is zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters. “Als het waar is, is het revolutionair,” zei Feng. “Decennia lang hebben we vier fundamentele krachten gekend… deze ontdekking van een mogelijke vijfde kracht zou ons begrip van het heelal volledig veranderen, met gevolgen voor de eenwording van krachten en donkere materie.”

En nee, we gaan het nu niet eens hebben over donkere materie.

Waar heeft deze kracht zich dan verstopt? Feng zegt dat hij in het verleden gewoon over het hoofd is gezien. “De interacties zijn erg zwak,” zegt Feng.

Maar hij voegt eraan toe: “Er zijn veel experimentele groepen aan het werk in kleine laboratoria over de hele wereld die de eerste beweringen kunnen opvolgen, nu ze weten waar ze moeten zoeken.”

Dus wat doet het, en wat betekent het?

Deze nieuwe kracht lijkt sterk op het elektromagnetisme, maar, volgens Tim Tait die co-auteur was van het “terwijl de normale elektrische kracht op elektronen en protonen werkt, heeft dit nieuw gevonden boson alleen interactie met elektronen en neutronen – en op een uiterst beperkt bereik.”

Maar er is meer onderzoek nodig om te bepalen wat dat precies betekent als het gaat om hoe de fysieke wereld werkt.

Dus, als deze nieuwe kracht wordt bevestigd, wat zou dat dan betekenen voor ons begrip van de wereld? Dat weet zelfs Feng nog niet. Maar er is geen tekort aan speculaties. Het zou wetenschappers kunnen helpen de heilige graal van de fysica te vinden, de grote verenigde theorie. Deze vijfde kracht zou kunnen helpen de effecten van de elektromagnetische, zwakke en sterke kernkrachten te verenigen, “manifestaties,” zegt Feng, “van één grotere, fundamentelere kracht.”

Het is al lang de droom van natuurkundigen om uit te vinden of en hoe elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten samenwerken, en deze nieuwe kracht zou een groot stuk van die puzzel kunnen zijn.

Als we het bestaan van deze vijfde kracht kunnen bewijzen, zou dat ons een stap dichter kunnen brengen bij het echt begrijpen van hoe ons universum werkt.

Got it?