Het Standaardmodel is een lust voor het oog. Het is de meest rigoureuze theorie van de deeltjesfysica, ongelooflijk nauwkeurig en accuraat in zijn voorspellingen. Het geeft een wiskundig overzicht van de 17 bouwstenen van de natuur: zes quarks, zes leptonen, vier krachtdragende deeltjes en het Higgs-boson. Deze worden beheerst door de elektromagnetische, zwakke en sterke krachten.
“Op de vraag ‘Wat zijn wij?’ heeft het Standaardmodel het antwoord,” zegt Saúl Ramos, een onderzoeker aan de Nationale Autonome Universiteit van Mexico (UNAM). “Het vertelt ons dat elk object in het universum niet onafhankelijk is, en dat elk deeltje er is met een reden.”
De afgelopen 50 jaar heeft zo’n systeem wetenschappers in staat gesteld om de deeltjesfysica te verwerken in één enkele vergelijking die het meeste verklaart van wat we kunnen zien in de wereld om ons heen.
Ondanks zijn grote voorspellende kracht, slaagt het Standaard Model er echter niet in vijf cruciale vragen te beantwoorden, en daarom weten deeltjesfysici dat hun werk nog lang niet af is.
Illustratie door Sandbox Studio, Chicago met Ana Kova
Waarom hebben neutrino’s massa?
Drie van de deeltjes van het Standaard Model zijn verschillende soorten neutrino’s. Het Standaardmodel voorspelt dat neutrino’s, net als fotonen, geen massa zouden hebben.
Wetenschappers hebben echter ontdekt dat de drie neutrino’s oscilleren, of in elkaar overgaan, als ze bewegen. Deze prestatie is alleen mogelijk omdat neutrino’s toch niet massaloos zijn.
“Als we de theorieën gebruiken die we nu hebben, krijgen we het verkeerde antwoord,” zegt André de Gouvêa, een professor aan de Northwestern University.
Het Standaardmodel heeft neutrino’s verkeerd, maar het is nog maar de vraag hoe verkeerd. De massa’s die neutrino’s hebben zijn immers vrij klein.
Is dat alles wat het Standaard Model gemist heeft, of is er meer dat we niet weten over neutrino’s? Sommige experimentele resultaten suggereren bijvoorbeeld dat er een vierde type neutrino zou kunnen zijn, een steriel neutrino, dat we nog moeten ontdekken.
What is donkere materie?
Wetenschappers realiseerden zich dat ze iets misten toen ze merkten dat sterrenstelsels veel sneller ronddraaiden dan zou moeten, op basis van de zwaartekracht van hun zichtbare materie. Ze draaiden zo snel dat ze uit elkaar gescheurd zouden moeten zijn. Iets wat we niet kunnen zien, wat wetenschappers “donkere materie” hebben genoemd, moet extra massa – en dus zwaartekracht – aan deze sterrenstelsels geven.
Donkere materie maakt naar schatting 27 procent uit van de inhoud van het heelal.
Wetenschappers zijn op zoek naar manieren om deze mysterieuze materie te bestuderen en de bouwstenen ervan te identificeren. Als wetenschappers kunnen aantonen dat donkere materie op de een of andere manier interageert met normale materie, “hebben we nog steeds een nieuw model nodig, maar het zou betekenen dat het nieuwe model en het Standaard Model met elkaar verbonden zijn,” zegt Andrea Albert, een onderzoeker bij het SLAC National Laboratory van het Amerikaanse Ministerie van Energie die onder andere donkere materie bestudeert bij het High-Altitude Water Cherenkov Observatorium in Mexico. “Dat zou een enorme verandering zijn.”
Waarom is er zoveel materie in het heelal?
Wanneer een materiedeeltje ontstaat – bijvoorbeeld in een deeltjesbotsing in de Large Hadron Collider of in het verval van een ander deeltje – gaat normaal gesproken zijn antimaterie-tegenhanger mee op reis. Wanneer gelijke materie- en antimateriedeeltjes elkaar ontmoeten, vernietigen zij elkaar.
Wetenschappers veronderstellen dat toen het heelal in de oerknal werd gevormd, materie en antimaterie in gelijke delen zouden moeten zijn geproduceerd. Een of ander mechanisme weerhield de materie en antimaterie echter van hun gebruikelijke patroon van totale vernietiging, en het heelal om ons heen wordt gedomineerd door materie.
Het Standaard Model kan de onevenwichtigheid niet verklaren. In veel verschillende experimenten worden materie en antimaterie bestudeerd op zoek naar aanwijzingen voor de oorzaak van de scheefgroei.
Illustratie door Sandbox Studio, Chicago met Ana Kova
Waarom versnelt de uitdijing van het heelal?
Voordat wetenschappers de uitdijing van ons heelal konden meten, veronderstelden ze dat deze na de oerknal snel was begonnen en vervolgens in de loop der tijd was gaan afnemen. Het kwam dan ook als een schok dat de uitdijing van het heelal niet alleen niet afnam, maar zelfs versnelde.
De laatste metingen van de Hubble-ruimtetelescoop en het Gaia-observatorium van de Europese ruimtevaartorganisatie geven aan dat sterrenstelsels zich met een snelheid van 45 mijl per seconde van ons verwijderen. Die snelheid neemt toe voor elke extra megaparsec, een afstand van 3,2 miljoen lichtjaar, ten opzichte van onze positie.
Deze snelheid wordt vermoedelijk veroorzaakt door een onverklaarbare eigenschap van de ruimtetijd, donkere energie genaamd, die het heelal uit elkaar duwt. Men denkt dat die ongeveer 68 procent van de energie in het heelal uitmaakt. “Dat is iets heel fundamenteels dat niemand had kunnen voorzien door alleen maar naar het Standaardmodel te kijken”, zegt de Gouvêa.
Is er een deeltje dat samenhangt met de zwaartekracht?
Het Standaardmodel was niet ontworpen om de zwaartekracht te verklaren. Deze vierde en zwakste natuurkracht lijkt geen invloed te hebben op de subatomaire interacties die het Standaard Model verklaart.
Maar theoretische natuurkundigen denken dat een subatomair deeltje, een graviton genaamd, de zwaartekracht zou kunnen overbrengen op dezelfde manier als deeltjes, fotonen genaamd, de elektromagnetische kracht overbrengen.
“Nadat het bestaan van gravitatiegolven door LIGO was bevestigd, vragen we ons nu af: Wat is de kleinst mogelijke gravitatiegolf? Dit is ongeveer hetzelfde als vragen wat een graviton is,” zegt Alberto Güijosa, hoogleraar aan het Instituut voor Nucleaire Wetenschappen van UNAM.
Meer te onderzoeken
Deze vijf mysteries zijn de grote vragen van de natuurkunde in de 21e eeuw, zegt Ramos. Maar er zijn nog meer fundamentele raadsels, zegt hij: Wat is de bron van ruimte-tijd geometrie? Hoe komen deeltjes aan hun spin? Waarom is de sterke kracht zo sterk en de zwakke kracht zo zwak?
Er valt nog veel te onderzoeken, zegt Güijosa. “Zelfs als we uiteindelijk een definitieve en perfecte theorie van alles in handen hebben, zouden we nog steeds experimenten uitvoeren in verschillende situaties om de grenzen ervan te verleggen.”
“Het is een heel klassiek voorbeeld van de wetenschappelijke methode in actie,” zegt Albert. “Met elk antwoord komen er meer vragen; niets is ooit af.”