Zijn er deeltjes met een bizar grote elektrische lading?

KIJK-redactie

2020-04-27 14:59:23

dyon deeltje dyonen

Merkwaardig: de jacht is geopend op een deeltje – het dyon – waarvan we niet weten of het bestaat en dat ook geen theoretisch probleem op zou lossen.

Zelfs onder deeltjesfysici zal het woord dyon vooral associaties oproepen met de Franse stad Dijon. Toch is het wel degelijk ook de naam van een deeltje. Althans, van een hypothetisch deeltje. Oftewel: een deeltje dat volgens theoretisch natuurkundigen best zou kunnen bestaan, maar waarvan hun experimentele collega’s nog nooit een overtuigend teken hebben gezien. Nu gaat het bij het dyon om een zo obscuur deeltje dat daar ook nooit serieus naar is gezocht. Tot nu dan, want de wetenschappers achter het niet veel minder obscure experiment MoEDAL hebben er onlangs een uitgebreide speurtocht naar afgerond.

Lees ook:

Elke denkbare lading

Over wat voor deeltje hebben we het dan? Daarvoor moeten we eerst een ander deeltje aankaarten: de magnetische monopool. Dat is een deeltje dat alleen een magnetische noord- of zuidpool heeft. Klinkt niet heel gek – totdat je je bedenkt dat alle magneten die we kennen zowel een noordpool als een zuidpool hebben. En breek je zo’n magneet in tweeën, dan ben je nog geen spat verder, want elke helft heeft automatisch ook weer een noord- en een zuidpool. Maar, zo bedachten verschillende wetenschappers om verschillende redenen in de loop van de twintigste eeuw: het zou best kunnen dat er deeltjes bestaan die maar één magnetische pool hebben. Magnetische monopolen dus.

Nu heeft geen enkel experiment ooit bewijs gevonden voor het bestaan van zulke deeltjes. Toch weerhield dat Nobelprijswinnaar natuurkunde Julian Schwinger er niet van om in 1969 na te denken over een nog exotischere variant op de magnetische monopool. Inderdaad: het dyon. Dat is een deeltje dat én maar één magnetische pool heeft, én een elektrische lading. Maar waar de lading van elk bekend elementair deeltje tussen de -1 en +1 ligt, kan het dyon elke denkbare lading hebben: tien, honderd, you name it. Het hoeft zelfs geen geheel getal te zijn.

Julian Schwinger, die bekendstaat als een van de briljantste natuurkundigen van de twintigste eeuw, bedacht in 1969 het dyon, een deeltje met één magnetische pool en een onbekende elektrische lading. © Smithsonian Institution

En lost zo’n deeltje dan een of ander enorm theoretisch probleem op? Dat valt een beetje tegen. Schwinger bedacht het dyon als onderdeel van een theorie die moest beschrijven hoe materie op de kleinste schaal in elkaar zit.

Daarmee lanceerde hij een alternatief voor het idee dat deeltjes genaamd quarks de ultieme bouwstenen van protonen, neutronen en allerlei andere deeltjes zijn. Helaas voor Schwinger ‘wonnen’ de quarks en raakte zijn variant in de vergetelheid. De bijbehorende dyonen verdwenen echter niet helemaal van het natuurkundige toneel; ze maken ook deel uit van een aantal andere theorieën die later werden bedacht. Maar tot een grootscheepse zoekactie naar deze deeltjes hebben die nooit geleid.

Daar is nu echter verandering in gekomen, met dank aan MoEDAL. Dit experiment is te vinden in de grootste en bekendste deeltjesversneller ter wereld, de LHC – maar bijna niemand heeft van MoEDAL gehoord. Niet zo gek ook, want het experiment bestaat uit niet veel meer dan een soort archiefkast gevuld met stapels plastic vellen en een aantal dozen vol aluminium staven. Beide zijn opgesteld rond een van de punten in de LHC waar deeltjes op elkaar botsen, in de hoop dat bij zo’n botsing een monopool ontstaat. Die zou dan namelijk een spoor van gaten kunnen achterlaten in zo’n stapel plastic vellen of kunnen blijven steken in een staaf aluminium.

Supergeleidende magneet

Dat laatste zou echter ook kunnen gebeuren met een dyon – en op die mogelijkheid heeft het MoEDAL-team zijn pijlen de afgelopen jaren gericht. Nadat de aluminium staven een tijdlang waren blootgesteld aan deeltjesbotsingen – en dus dyonen zouden kunnen bevatten – werden ze in stukjes gezaagd. Die stukjes lieten de onderzoekers vervolgens één voor één door een ringvormige, supergeleidende magneet vallen. Want: als er een dyon in zo’n stukje aluminium zit, begint er een stroompje te lopen door de magneet. En doordat de magneet supergeleidend is (oftewel: geen elektrische weerstand heeft), dooft dat stroompje vervolgens ook niet meer uit.

Maar liefst 87 keer maten de wetenschappers zo’n stroompje als ze een stukje staaf door de magneet lieten vallen. En helaas: 87 keer bleek dat stroompje er niet meer te zijn als ze het betreffende stukje bij wijze van controle nog een paar keer door de magneet lieten vallen. Geen teken van dyonen dus, maar een of ander eenmalig effectje, misschien veroorzaakt door de gebruikte apparatuur.

Kunnen we de dyonen dan, ruim vijftig jaar nadat ze werden bedacht, eindelijk afschrijven? Nou, nee. Zoals vrijwel altijd bij dit soort experimenten zijn alleen bepaalde varianten van het dyon uitgesloten. Bijvoorbeeld: als het die-endie lading heeft, kan het niet lichter zijn dan die-en-die massa. Maar omdat het dyon zowat elke denkbare lading en massa kan hebben, kan het prima zo zijn dat het wel degelijk bestaat en toch niet gemeten is.

James Pinfold, woordvoerder van het experiment, geeft dan ook aan om vanaf 2021 – als de LHC na een opwaardering weer wordt opgestart – nog eens op zoek te willen gaan naar dyonen. Want heel misschien is die upgrade net voldoende om ervoor te zorgen dat er straks wél dyonen ontstaan die blijven steken in een staaf aluminium.

Deze Far Out staat ook in KIJK 5/2020.

Tekst: Jean-Paul Keulen

Bron: arXiv.org

Openingsbeeld: 360-gradenfoto van het vrij bescheiden experiment MoEDAL, dat staat opgesteld in de LHC, de grootste deeltjesversneller ter wereld. © Maximilien Bryce/CERN

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK










Meer Artikelen

tijdelijk Gratis verzending

We begrijpen dat je niet staat te springen om nu naar de supermarkt te gaan om een exemplaar van KIJK uit de schappen te grissen. Bestel onze edities online en met kortingscode GRATIS betaal je géén verzendkosten.