Credit: Marc Airhart (University of Texas at Austin) and Steve Jacobsen (Northwestern University).
Het is een goede tijd om een deeltjesfysicus te zijn. Het Higgs-boson is eindelijk gevonden en wetenschappers zijn een nieuw deeltje op het spoor: een deeltje dat de overdrager is van een nog onbekende fundamentele natuurkracht. Een experiment, waarbij de aarde zelf als elektronenbron is gebruikt, heeft uitgewezen hoe sterk deze kracht kan zijn. Het blijkt dat deze natuurkracht, als het bestaat, een miljoen keer zwakker moet zijn dan de zwaartekracht.
De nieuwe natuurkracht zou verantwoordelijk moeten zijn voor een mysterieus kwantummechanisch effect, de zogenaamde langeafstand spin-spin interacties. Korteafstand spin-spin interacties zijn heel algemeen: magneten blijven aan een koelkast plakken doordat de elektronen in de magneet en de elektronen in het staal van de koelkast allemaal in dezelfde richting draaien. Maar langeafstand spin-spin interacties zijn veel mysterieuzer.
De nieuwe natuurkracht zal de vijfde fundamentele natuurkracht zijn, na de zwaartekracht, elektromagnetisme en de zwakke en sterke kernkrachten. Als de kracht werkelijk bestaat, dan moeten er ook krachtoverdragende deeltjes van zijn. Wat zouden deze deeltjes kunnen zijn? Er zijn drie mogelijkheden.
Het zou om een deeltje kunnen gaan dat het ondeeltje wordt genoemd: een deeltje dat zich kan gedragen als een foton (lichtdeeltje), maar zich ook kan gedragen als een materiedeeltje. Het zou ook om een deeltje kunnen gaan dat de Z’ wordt genoemd, een lichter neefje van het Z-boson dat de zwakke kernkracht overbrengt. Ten slotte zou het helemaal niet om een deeltje kunnen gaan, maar om een kwantummechanisch en/of relativistisch effect dat invloed heeft op spininteracties op lange afstand.
Het ondeeltje is voor het eerst voorgesteld in 2007 en heeft nogal unieke eigenschappen. Deeltjes hebben een vaste massa, tenzij het fotonen zijn, die massaloos zijn. De massa van een elektron of proton ligt vast: verander de massa (en dus de energie) en het wordt een ander deeltje. Ondeeltjes hebben daarentegen een variabele massa/energie.
Normale spininteracties werken slechts op korte afstand. Magnetische krachten nemen exponentieel af naarmate de afstand groter wordt. Maak de afstand dubbel zo groot en de magnetische kracht neem met een factor acht af. Langeafstand spininteracties nemen helemaal niet af naarmate de afstand groter wordt. Natuurkundigen zijn al jaren op zoek naar een deeltje dat zo’n soort interactie zou kunnen overdragen, maar hebben nog niets gevonden.
Het Amherst-experiment legt nauwere limieten op aan de sterkte van de kracht, zodat natuurkundigen een beter idee hebben waar ze moeten zoeken. Natuurkundigen weten dat de nieuwe natuurkracht heel zwak moet zijn en alleen op grote afstand waargenomen kan worden. Wetenschappers hebben dus een creatieve methode nodig om naar de ondeeltjes te zoeken. Wat nodig is, is een krachtige elektronenbron.
Elektronen hebben een grote magnetische potentie. Ze lijnen gemakkelijker uit met het aards magnetisch veld, dus vormen elektronen de voor de hand liggende keuze. Alles dat invloed heeft op de wijze waarop de spin van een elektron uitlijnt met het aards magnetisch veld, zou de energie van deze spin een klein beetje doen wijzigen.
Nu heeft een team van Amherst besloten om gebruik te maken van de elektronen in de aarde, vooral omdat er enorm veel van zijn (tien tot de macht 49). Bij voorgaande experimenten is bijvoorbeeld gebruik gemaakt van spin-gepolariseerde neutronen. Zo’n bron is dichtbij en controleerbaar. Maar we hebben een grotere bron nodig om de gevoeligheid te verbeteren.
Hoewel slechts 1 op de 10 miljoen elektronen in de mantel van de aarde zichzelf uitlijnt met het aards magnetisch veld (waarbij de spin wordt gewijzigd), resulteert dat nog altijd in tien tot de macht 42 uitgelijnde elektronen. Natuurlijk kun je deze niet controleren zoals je in een lab zou doen, maar toch zou dit resultaat moeten opleveren.
De wetenschappers hebben eerst de dichtheid van elektronen in de aarde in kaart gebracht, evenals de spin-richtingen. Om deze kaart te maken heeft men gebruik gemaakt van de kracht en richting van het magnetisch veld binnen de aardmantel en -korst. Vervolgens heeft men uitgerekend hoeveel invloed deze elektronen moeten hebben op spin-gevoelige expirimenten in Amherst.
Het Amherst-team heeft toen een magnetisch veld toegepast op een groep subatomaire deeltjes – in dit geval neutronen – en gekeken naar hun spin. De verandering in de energie van de spins is afhankelijk van de richting waarop ze wijzen. De spin roteert rond het toegepaste magnetische veld met een vaste frequentie. Als de elektronen in de mantel een kracht verzenden die de spin beïnvloeden, dan zou de frequentie van de laboratoriumdeeltjes moeten veranderen.De resultaten van dit onderzoek zijn helaas nog niet volledig bekend, behalve dan dat de kracht van de langeafstand spininteracties heel zwak moet zijn: een miljoen keer zwakker dan de zwaartekracht. Bron: LiveScience.
