Bestaat er een vijfde natuurkracht?

Een experiment in Hongarije heeft een afwijking in radioactief verval geconstateerd dat kan wijzen op een voorheen onbekende vijfde natuurkracht.

Attila Krasznahorkay, onderzoeker aan het Hongaarse Academy of Science Institute for Nuclear Research, en zijn team publiceerde de resultaten al eind 2015 op het arXiv preprint platform en begin dit jaar in de januari editie van de Physical Review Letters.

Het onderzoek werd echter pas bekend bij het grote publiek op 25 april toen een team van Amerikaanse theoretische fysici aan de universiteit van Californië, onder leiding van Jonathan Feng, hun eigen bevindingen plaatsten op hetzelfde online platform. De Amerikanen toonden met behulp van de Hongaarse data aan dat het mogelijk om een vijfde natuurkracht zou gaan.  

Zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkracht zijn de vier fundamentele krachten die vandaag gekend zijn in de fysica. Veel onderzoekers zijn echter al langer op zoek naar een vijfde kracht. De voornaamste reden is dat het standaardmodel in de deeltjesfysica, maar geen grip krijgt op het verklaren van de  mysterieuze donkere materie. Een onzichtbare materie waarvan gedacht wordt dat het meer dan 80% uitmaakt van de totale massa van het universum. Theoretische Fysici dachten al aan tal van exotische materiedeeltjes en krachtendragers, waaronder de zogeheten “donkere fotonen”. Naar analogie van de traditionele fotonen (licht) die de elektromagnetische kracht dragen.

Krasznahorkay en zijn team waren net naar dit deeltje op zoek, maar Fengs team denkt dat ze iets anders gevonden hebben. De Hongaren vuurden protonen af op lithium-7, wat resulteerde in onstabiele beryllium-8 kernen die vervielen en daarbij paren van elektronen en positronen uitspuugden. In dit verval zagen de onderzoekers echter een onverwacht resultaat.

Het Hongaarse team is ervan overtuigd dat de beryllium-8 kernen kortstondig overtollige energie afscheidden in de vorm van een nieuw deeltje dat vervolgens vervalt in een elektron-positron paar. Het team calculeerde dat het deeltje een massa had van 17 megaelektrovolt (MeV), slechts 30 maal zwaarder dan een elektron dus. Het Team herhaalde het experiment verschillende keren om externe invloeden te kunnen uitsluiten.

Feng en zijn team beweren dan weer dat het 17 MeV deeltje geen “donkere foton” is. Na een grondige analyse van de data en het vergelijken van resultaten uit voorgaande experimenten, concludeerden zij dat het gaat om een “protofobisch X boson”. Dit deeltje zou een extreem korte-afstands kracht dragen die slechts werkt over een afstand van een aantal keer de breedte van een atoomkern. Er is geen enkel ander Boson deeltje dat ooit waargenomen is met dezelfde karakteristieken. Vandaar de naam X Boson. De X staat dan voor onbekend. Het team benadrukt dat meer onderzoek nodig is om dit met zekerheid te kunnen bevestigen.

Jesse Thaler, theoretisch fysicus aan MIT in Cambridge, is eerder sceptisch, maar volgt de ontwikkelingen met Argusogen. “Mogelijk zien we hier de eerste glimp van de fysica ver voorbij het zichtbare universum, aldus Thaler.”

Onderzoekers hoeven normaal niet lang te wachten op het bewijs dat het 17 MeV deeltje wel degelijk bestaat. Het DarkLight experiment van het Jefferson Laboratory is namelijk ontwikkeld om te zoeken naar donkere fotonen met massas tussen de 10 en de 100 MeV. Onderzoekers vuren er elektronen af op een doelwit van waterstofgas. De regio van 17 MeV massa krijgt nu voorrang in het experiment. Binnen een jaar zouden de resultaten bekend moeten zijn.

Fysici aan het Institute for Nuclear Research in Debrecen, Hongarije gebruikten een elektron-positron spectrometer om het nieuwe deeltje te ontdekken. (Nature.com)

De Hongaarse studie in het Engels lees je hier.

De bevindingen van het Amerikaanse team lees je hier.