Als je een natuurkundige zoals ik vraagt ​​om uit te leggen hoe de wereld werkt, zou mijn luie antwoord kunnen zijn:"Het volgt het standaardmodel."

Het standaardmodel verklaart de fundamentele fysica van hoe het universum werkt. Het heeft meer dan 50 reizen rond de zon doorstaan, ondanks het feit dat experimentele natuurkundigen constant op zoek waren naar scheuren in de fundamenten van het model.

Op enkele uitzonderingen na heeft het deze toetsing doorstaan ​​en met vlag en wimpel de experimentele test na experimentele test doorstaan. Maar dit enorm succesvolle model heeft conceptuele lacunes die suggereren dat er nog iets te leren valt over hoe het universum werkt.

Ik ben een neutrino-fysicus. Neutrino's vertegenwoordigen drie van de 17 fundamentele deeltjes in het standaardmodel. Ze ritsen door elke persoon op aarde op elk moment van de dag. Ik bestudeer de eigenschappen van interacties tussen neutrino's en normale materiedeeltjes.

In 2021 voerden natuurkundigen over de hele wereld een aantal experimenten uit die het standaardmodel onderzochten. Teams maten de basisparameters van het model nauwkeuriger dan ooit tevoren. Anderen onderzochten de grenzen van de kennis waar de beste experimentele metingen niet helemaal overeenkomen met de voorspellingen van het standaardmodel. En tot slot bouwden groepen krachtigere technologieën die zijn ontworpen om het model tot het uiterste te drijven en mogelijk nieuwe deeltjes en velden te ontdekken. Als deze inspanningen slagen, kunnen ze in de toekomst leiden tot een completere theorie van het universum.

Vulgaten in standaardmodel

In 1897 werd J.J. Thomson ontdekte het eerste fundamentele deeltje, het elektron, met niets meer dan glazen vacuümbuizen en draden. Meer dan 100 jaar later ontdekken natuurkundigen nog steeds nieuwe onderdelen van het standaardmodel.

Het standaardmodel is een voorspellend raamwerk dat twee dingen doet. Ten eerste legt het uit wat de basisdeeltjes van materie zijn. Dit zijn zaken als elektronen en de quarks waaruit protonen en neutronen bestaan. Ten tweede voorspelt het hoe deze materiedeeltjes met elkaar interageren met behulp van 'boodschapperdeeltjes'. Dit worden bosonen genoemd - ze omvatten fotonen en het beroemde Higgs-deeltje - en ze communiceren de basiskrachten van de natuur. Het Higgs-deeltje werd pas in 2012 ontdekt na tientallen jaren werk bij CERN, de enorme deeltjesversneller in Europa.

Het standaardmodel is ongelooflijk goed in het voorspellen van veel aspecten van hoe de wereld werkt, maar het heeft wel wat gaten.

Het bevat met name geen beschrijving van de zwaartekracht. Hoewel de algemene relativiteitstheorie van Einstein beschrijft hoe zwaartekracht werkt, hebben natuurkundigen nog geen deeltje ontdekt dat de zwaartekracht overbrengt. Een echte "Theory of Everything" zou alles doen wat het standaardmodel kan, maar ook de boodschapperdeeltjes die communiceren hoe zwaartekracht interageert met andere deeltjes.

Een ander ding dat het standaardmodel niet kan doen, is uitleggen waarom een ​​deeltje een bepaalde massa heeft - natuurkundigen moeten de massa van deeltjes rechtstreeks meten met behulp van experimenten. Pas nadat experimenten natuurkundigen deze exacte massa's hebben gegeven, kunnen ze worden gebruikt voor voorspellingen. Hoe beter de metingen, hoe beter de voorspellingen die gemaakt kunnen worden.

Onlangs hebben natuurkundigen van een team bij CERN gemeten hoe sterk het Higgs-deeltje zichzelf voelt. Een ander CERN-team mat ook de massa van het Higgs-deeltje nauwkeuriger dan ooit tevoren. En tot slot was er ook vooruitgang bij het meten van de massa van neutrino's. Natuurkundigen weten dat neutrino's meer dan nul massa hebben, maar minder dan de hoeveelheid die momenteel detecteerbaar is. Een team in Duitsland is doorgegaan met het verfijnen van de technieken waarmee ze de massa van neutrino's direct kunnen meten.

Hints van nieuwe krachten of deeltjes

In april 2021 kondigden leden van het Muon g-2-experiment bij Fermilab hun eerste meting van het magnetische moment van het muon aan. Het muon is een van de fundamentele deeltjes in het standaardmodel en deze meting van een van zijn eigenschappen is de meest nauwkeurige tot nu toe. De reden dat dit experiment belangrijk was, was omdat de meting niet perfect overeenkwam met de voorspelling van het standaardmodel van het magnetische moment. In principe gedragen muonen zich niet zoals ze zouden moeten. Deze bevinding zou kunnen wijzen op onontdekte deeltjes die interageren met muonen.

Maar tegelijkertijd, in april 2021, lieten natuurkundige Zoltan Fodor en zijn collega's zien hoe ze een wiskundige methode genaamd Lattice QCD gebruikten om het magnetische moment van het muon nauwkeurig te berekenen. Hun theoretische voorspelling is anders dan oude voorspellingen, werkt nog steeds binnen het standaardmodel en, belangrijker nog, komt overeen met experimentele metingen van het muon.

De onenigheid tussen de eerder geaccepteerde voorspellingen, dit nieuwe resultaat en de nieuwe voorspelling moet worden verzoend voordat natuurkundigen weten of het experimentele resultaat echt buiten het standaardmodel ligt.

De hulpmiddelen van de natuurkunde upgraden

Natuurkundigen moeten heen en weer schommelen tussen het bedenken van de verbijsterende ideeën over de werkelijkheid waaruit theorieën bestaan ​​en geavanceerde technologieën tot het punt waarop nieuwe experimenten die theorieën kunnen testen. 2021 was een belangrijk jaar voor het bevorderen van de experimentele hulpmiddelen van de natuurkunde.

Ten eerste werd 's werelds grootste deeltjesversneller, de Large Hadron Collider bij CERN, stilgelegd en enkele substantiële upgrades ondergaan. Natuurkundigen hebben de faciliteit in oktober opnieuw opgestart en ze zijn van plan om in mei 2022 met de volgende gegevensverzameling te beginnen. De upgrades hebben het vermogen van de versneller verhoogd, zodat deze botsingen kan produceren bij 14 TeV, een stijging ten opzichte van de vorige limiet van 13 TeV. Dit betekent dat de batches van kleine protonen die in bundels rond de cirkelvormige versneller reizen samen dezelfde hoeveelheid energie vervoeren als een 800.000 pond (360.000 kilogram) passagierstrein die met 100 mph (160 km/u) rijdt. Bij deze ongelooflijke energieën kunnen natuurkundigen nieuwe deeltjes ontdekken die te zwaar waren om te zien bij lagere energieën.

Er zijn enkele andere technologische vorderingen gemaakt om het zoeken naar donkere materie te helpen. Veel astrofysici zijn van mening dat donkere-materiedeeltjes, die momenteel niet in het standaardmodel passen, een aantal openstaande vragen zouden kunnen beantwoorden over de manier waarop de zwaartekracht rond sterren buigt - gravitatielenzen genoemd - evenals de snelheid waarmee sterren in spiraalstelsels roteren. Projecten zoals de Cryogenic Dark Matter Search moeten nog donkere materiedeeltjes vinden, maar de teams ontwikkelen grotere en gevoeligere detectoren die in de nabije toekomst zullen worden ingezet.

Vooral relevant voor mijn werk met neutrino's is de ontwikkeling van immense nieuwe detectoren zoals Hyper-Kamiokande en DUNE. Met behulp van deze detectoren kunnen wetenschappers hopelijk vragen beantwoorden over een fundamentele asymmetrie in hoe neutrino's oscilleren. Ze zullen ook worden gebruikt om te kijken naar protonverval, een voorgesteld fenomeen dat volgens bepaalde theorieën zou moeten plaatsvinden.

2021 belichtte enkele van de manieren waarop het standaardmodel niet elk mysterie van het universum kan verklaren. Maar nieuwe metingen en nieuwe technologie helpen natuurkundigen vooruit in hun zoektocht naar de Theory of Everything.