Drie grote CERN-experimenten zien samen voorzichtige aanwijzingen dat B-mesonen zich niet helemaal volgens het Standaardmodel van de deeltjesfysica gedragen.
Dat zou een aanwijzing kunnen zijn voor nieuwe deeltjes voorbij de huidige grenzen. Welke nieuwe deeltjes dat kunnen zijn, is uit de huidige metingen niet op te maken. Statistisch is er hooguit sprake van hints.
De afwijkingen kunnen ook gewoon toeval zijn, zegt deeltjesfysicus Patrick Koppenburg van Nikhef en het LHCb-experiment op CERN. ‘Meer meetgegevens moeten laten zien of dit echt afwijkt van het Standaardmodel.’
De nieuwe analyse is het werk van twee voormalige Nikhef-postdoc, nu bij LHCb, Flavio Archilli and Francesco Dettori. Voor de Nikhef-groep binnen LHCb is de speurtocht naar nieuwe fysica in de B-mesonen core business. ‘Dit soort zeldzaam quantumverval is een van de meest veelbelovende manieren om nieuwe fysica te vinden’, zegt LHCb-groepsleider op Nikhef, Marcel Merk.
LHCb leverde samen met CMS en ATLAS meetgegevens over de periode 2011-2016 die tot de huidige analyses hebben geleid. De gegevens over 2017-2018 kunnen nog eens tweemaal zoveel data geven, maar de CERN-fysici hopen in de volgende meetperiode na 2021 echt hun slag te slaan. LHCb-fysici in Groningen en Maastricht hopen binnenkort al een analyse van de hele meetperiode tot en met 2018 af te leveren.
Op de ICHEP2020-wereldconferentie voor deeltjesfysica vorige week (vanwege corona online, maar formeel in Praag) ging veel aandacht uit naar het verval van het higgsdeeltje naar muonen, een zware versie van het elektron.
Dat proces begint zichtbaar te worden in de experimenten bij de LHC-versneller, en vertelt vooral dat het higgsdeeltje ook de tweede generatie van elementaire deeltjes hun massa geeft. Tot nog toe was dat alleen voor de allerzwaarste deeltjes rond het tau-deeltje echt aangetoond.
In de zijlijn van ICHEP trok echter ook een grafiek van het verval van B-mesonen de aandacht. B-mesonen zijn deeltjes die in elk geval een bottomquark bevatten plus nog een willekeurige ander quark. Het toegevoegde quark geeft kleine verschillen, die met het Standaardmodel scherp te voorspellen zijn.
In het verleden werd veel gekeken naar het verval van verschillende typen B-mesonen omdat daarin mogelijk aanwijzingen voor zogeheten supersymmetrie zouden kunnen opduiken.
Supersymmetrie voorspelt dat voor bekende deeltjes nog een familie van zwaardere tegendeeltjes bestaat. Dat zou allerlei vreemde asymmetrie uit het Standaardmodel wegnemen.
Voor supersymmetrie werd in B-mesonen geen bewijs gevonden, maar andere zwaardere deeltjes voorbij het Standaardmodel zijn daarmee nog niet uitgesloten. ‘Om indirect nieuwe fysica te vinden, zoek je een verval dat experimenteel schoon is, zeldzaam en toch goed te voorspellen. Dit verval voldoet aan alledrie die voorwaarden’, zegt Koppenburg.
In de gepubliceerde grafiek is te zien dat het verschil tussen B-mesonen met een s-quark minder van een B-meson met een down-quark verschillen dan de theorie (SM) voorspelt. Dat werd eerder ook al opgemerkt in iets andere metingen aan B-mesonen.
Wat de eventuele nieuwe fysica is, waarvoor het B-mesonverval gevoelig is, laat zich niet voorspellen. Koppenburg, zelf niet betrokken bij de nieuwe gecombineerde analyse, noemt leptoquarks als een goede kandidaat.
Het leptoquark is een hypothetisch type deeltje dat zich zowel met de quarks als met leptonen in het Standaardmodel bemoeit. Zulke deeltjes hebben in theorie gemakkelijk een massa zo groot als van een loodatoom.
Met de huidige versnellers is dat veel te zwaar om rechtstreeks in botsingen te maken. Maar indirect zouden B-mesonen hun bemoeienis wel als een antenne kunnen oppikken.
Op ICHEP was de opwinding over het nieuwe resultaat niet buitensporig groot, omdat CMS en LHCb al eerder resultaten lieten zien die op een afwijking kunnen wijzen. Nieuw was wel de bijdrage van ATLAS aan de analyses. Als na 2021 de LHC-versneller weer in bedrijf komt, zal ook ATLAS meekijken naar B-mesonverval.
