LHCb experiment ziet aanwijzing voor miniem verschil tussen twee soorten leptonen

9 september 2015

Nieuwe metingen van het LHCb experiment bij CERN in Genève wijzen op een miniem verschil tussen twee soorten leptonen. De resultaten hiervan zijn te vinden op de arXiv preprint server en werden vandaag gepubliceerd in het toonaangevende tijdschrift Physics Review Letters. In het Standaard Model zijn de drie soorten leptonen, namelijk electronen, muonen en tauonen, gelijk. Dat wil zeggen dat, gecorrigeerd voor hun verschillende massa’s, er net zo vaak een muon als een tauon wordt geproduceerd in het verval van een zwaar deeltje. Het LHCb-experiment bestudeert met name het verval van zware B-mesonen. Dat zijn deeltjes met een zwaar b-quark erin. De b staat voor ‘beauty’ of ‘bottom’, afhankelijk van met wie je praat. Deze deeltjes vervallen vaak naar een lichter D-meson (met een charm quark erin), een geladen lepton en een neutrino. Het neutrino vliegt door de detector zonder te worden gedetecteerd, maar het D-meson en het lepton worden wel geregistreerd in de sensoren van de LHCb-detector. Het lepton is meestal een electron of muon, aangezien zij een stuk lichter zijn dan het zware broertje van de familie, het tauon. Maar zodra je corrigeert voor dit massa-effect, komen de drie leptonen even vaak voor. Althans, dat voorspelt de theorie van het Standaardmodel. Als er nieuwe krachten of deeltjes zijn, dan kunnen die ervoor zorgen dat de verhoudingen tussen de leptonen veranderen. Een voorbeeld van zo’n hypothetisch deeltje is een geladen Higgs-boson; het Higgs-boson van het Standaardmodel dat door de LHC is waargenomen is namelijk neutraal.

Met de data van Run 1 heeft LHCb heel nauwkeurig de verhouding bepaald van het aantal keren dat een B-meson vervalt naar een muon en het aantal keren dat een B-meson vervalt naar een tauon. De uitkomst is dat het verval naar tauonen iets vaker voorkomt dan verwacht. Op zichzelf is deze meting nog niet significant genoeg, maar wat het extra interessant maakt is dat twee andere experimenten een zelfde afwijking vinden. “De gemeten waarde komt goed overeen met die van het BaBar experiment in de VS en het Belle experiment in Japan”, zegt Nikhef-onderzoeker en co-auteur van het artikel Greg Ciezerek. In figuur 1 zijn de metingen van deze drie experimenten te zien, inclusief de verwachte waarde van het Standaardmodel. Als je deze resultaten samenvoegt dan is de kans dat het hier om een statistische afwijking gaat slechts 0.01%. Dat is een hele kleine kans, maar nog niet klein genoeg om het Standaardmodel af te schrijven. Verder onderzoek moet aantonen of deze afwijking blijft bestaan of niet. De nieuwe data van Run 2 van de LHC, die net begonnen is, zal dit de komende jaren uitwijzen.

Link naar arXiv

Link naar artikel in Physics Review Letters

Link naar LHCb-website

Figuur: verhouding van het aantal keren dat een B-meson vervalt naar een tauon en het aantal keren dat een B-meson vervalt naar een muon; metingen van het LHCb experiment vergeleken met metingen van BaBar en Belle en de verwachte waarde van het Standaardmodel.

Meer informatie:
Afdeling Wetenschapscommunicatie – e-mail – 020 592 5075
Jeroen van Tilburg, onderzoeker LHCb-Nikhef – e-mail – 020 592 2131
Marcel Merk, programmaleider LHCb-Nikhef – e-mail – 020 592 5107

English:

LHCb experiment hints at a small difference between two types of leptons

An intriguing anomaly

Recent measurements at the LHCb experiment at CERN, Geneva suggest a small difference between two types of leptons. The results can be found on the arXiv preprint server and were published today in the prestigious journal Physics Review Letters. In the Standard Model, the three types of leptons, namely electrons, muons and taus, are all equal. This means that after correcting for their different masses, a muon is produced just as often as a tau in the decay of a heavy particle. The LHCb experiment studies the decay of heavy B mesons. These particles contain a heavy b quark. The b stands for "beauty" or "bottom", depending on who you talk to. These particles often decay into a lighter D meson (consisting of a charm quark), a charged lepton and a neutrino. The neutrino flies through the detector without being detected, but the D meson and lepton are registered in the sensors of the LHCb detector. The lepton is usually an electron or muon, as they are much lighter than their heavy brother, the tau. But once you correct for this mass effect, the three leptons are equal. At least, that is what the Standard Model predicts. If there are new forces or particles, they can change the relative fractions between the leptons. An example of such a hypothetical particle is a charged Higgs boson; the Higgs boson of the Standard Model (that has been observed by the LHC) is in fact neutral.

With the data from Run 1, LHCb has very accurately determined the ratio between the number of B mesons decaying into a muon and the number of B mesons decaying into a tau. The outcome is that the decay to a tau occurs more frequently than expected. In itself, this measurement is not yet significant, but it is intriguing that two other experiments find the same anomaly. "The measured value agrees well with that of the BaBar experiment in the US and the Belle experiment in Japan,” says Greg Ciezarek, Nikhef researcher and co-author of the article. In figure 1, the results from these three experiments are shown, including the expected value of the Standard Model. If you combine these results, the probability that this is a statistical fluctuation is only 0.01%. That is a very small chance, but not small enough to throw away the Standard Model. Further research is needed to determine whether this anomaly is real or a statistical fluctuation. In the coming years, the new data from Run 2 of the LHC which has just begun, will tell.

Link naar arXiv

Link to article in Physics Review Letters

Link to LHCb-website

Figure:  Ratio between the number of B mesons decaying into a tau and the number of B mesons decaying into a muon ; results from LHCb are compared with results from BaBar and Belle and the expected value of the Standard Model

More information:
Science Communications Department – mail – 020 592 5075
Jeroen van Tilburg, researcher LHCb-Nikhef – mail – 020 592 2131
Marcel Merk, programme leader LHCb-Nikhef – mail – 020 592 5107