Decennialang hebben natuurkundigen naar een minuscuul subatomair deeltje genaamd het muon gestaard en opgewonden gefluisterd over een mogelijke vijfde natuurkracht. Nu heeft een internationaal onderzoeksteam onder leiding van een natuurkundige van Penn State koud water over de hele zaak gegooid. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, suggereren dat de lang waargenomen discrepantie in het magnetische gedrag van het muon helemaal geen teken was van nieuwe natuurkunde - het was gewoon een wiskundeprobleem.

Het mysterie draaide om het muon, een kortlevend deeltje dat eigenlijk de stoerdere neef van een elektron is, ongeveer 200 keer zwaarder. Meer dan 60 jaar lang leken metingen van het magnetische moment van het muon - hoe sterk het zich gedraagt als een kleine magneet - in tegenspraak met voorspellingen van het Standaardmodel, het reglement voor alle bekende fundamentele deeltjes en krachten. Deze mismatch deed iedereen hopen op onontdekte deeltjes of zelfs een glamoureuze nieuwe "vijfde kracht" naast de gebruikelijke vier.

"Er waren de afgelopen 60 jaar of zo veel berekeningen, en naarmate ze nauwkeuriger werden, wezen ze allemaal op een discrepantie en een nieuwe interactie die de bekende natuurwetten op zijn kop zou zetten," zei Zoltan Fodor, hoogleraar natuurkunde aan Penn State en hoofdauteur van de studie. "We hebben een nieuwe methode toegepast om deze discrepantie te berekenen, en we hebben aangetoond dat die er niet is. Deze nieuwe interactie waar we op hoopten, is er gewoon niet. De oude interacties kunnen de waarde volledig verklaren."

Het team besteedde meer dan een decennium aan het verfijnen van hun berekening, en bracht uiteindelijk theoretische voorspellingen en experimentele metingen binnen minder dan een halve standaarddeviatie met elkaar in overeenstemming. Het resultaat bevestigt het Standaardmodel tot op 11 decimalen en verkleint de kans dat onbekende natuurkunde zich in deze specifieke meting verbergt aanzienlijk.

"Mensen vragen me hoe het voelt om deze ontdekking te doen, en eerlijk gezegd voel ik me een beetje verdrietig," gaf Fodor toe. "Toen we begonnen met het berekenen van deze grootheid, dachten we dat we een goede en betrouwbare berekening zouden hebben voor een nieuwe vijfde kracht. In plaats daarvan ontdekten we dat er geen vijfde kracht is. We hebben wel een zeer nauwkeurig bewijs gevonden, niet alleen van het Standaardmodel, maar ook van de kwantumveldentheorie, de basis waarop het Standaardmodel is gebouwd."

Het onderzoek richtte zich op het afwijkende magnetische moment van het muon, of g−2, een kleine afwijking van de verwachte waarde van precies twee. Omdat muonen zwaarder zijn dan elektronen, zijn ze ongewoon gevoelig voor vluchtige kwantumeffecten - deeltjes die in en uit het bestaan komen in de lege ruimte. Experimenten bij CERN in de jaren 1960 en 1970, later bij Brookhaven National Laboratory, en meer recent bij Fermi National Accelerator Laboratory maten dit allemaal met opmerkelijke precisie, wat leidde tot de Breakthrough Prize in Fundamental Physics. Maar de cijfers kwamen nooit helemaal overeen met de theorie - tot nu.

De grootste hoofdpijn kwam van de sterke kracht, de krachtigste van de vier bekende krachten, die quarks in protonen en neutronen bindt. In tegenstelling tot zwaartekracht of elektromagnetisme wordt de sterke kracht sterker naarmate deeltjes uit elkaar bewegen - als een elastiek dat strakker wordt naarmate je er meer aan trekt. Om het gedrag van het muon nauwkeurig te voorspellen, gebruikte het team roosterkwantumchromodynamica, een computationele techniek die de sterke kracht op supercomputers simuleert door ruimte en tijd in een extreem fijn raster te verdelen.

"De oude methodologie omvatte het verzamelen van duizenden experimentele resultaten en het herinterpreteren ervan om het ene getal te krijgen, het magnetische moment van het muon," zei Fodor. "Onze aanpak was compleet anders. We verdeelden de ruimtetijd in zeer kleine cellen, een rooster, en losten vervolgens de vergelijkingen van het Standaardmodel daarop op."

In het afgelopen decennium combineerde het team roosterberekeningen voor korte en middellange afstanden met zeer betrouwbare experimentele metingen voor grotere afstanden, waarbij ze fijnere roosters gebruikten dan eerdere studies om de onzekerheid te verminderen. De uiteindelijke berekening is de meest nauwkeurige bepaling tot nu toe van het magnetische moment van het muon.