PhD defense Kristof De Bruyn @ VU

8 oktober 2015

Promotiebericht
Nikhef, 30-9-2015

Zoektocht naar pinguïn voetsporen

Kristof De Bruyn, promovendus aan het Nikhef, verdedigt zijn proefschrift donderdag 8 oktober 2015 aan de Vrije Universiteit Amsterdam.

De voorwerpen die je dagelijks tegenkomt zijn misschien niet altijd spectaculair, maar ze zijn complexer dan je op het eerste zicht zou denken. Als we er ver genoeg op blijven inzoomen, dan merken we dat ze zijn opgebouwd uit miljarden kleinere bouwstenen: moleculen. Moleculen zijn op hun beurt opgebouwd uit atomen, die zelf weer bestaan uit een kern van protonen en neutronen, met daar omheen een wolk van elektronen. Maar dit is nog steeds niet het einde van het verhaal, want protonen en neutronen kunnen weer opgesplitst worden in quarks. In het bijzonder, twee soorten quarks: de {up} en de {down} quark. Samen vormen de elektronen en quarks de meest elementaire bouwstenen van ons Heelal (voor zover we nu weten). Hoewel alles om ons heen opgebouwd is uit elektronen, up en down quarks, hebben we de afgelopen honderd jaar geleerd dat er eigenlijk veel meer elementaire deeltjes bestaan in de Natuur. De meeste van deze fundamentele deeltjes zijn echter exotisch en leven maar heel kort, wat het moeilijker maakt om ze waar te nemen. We hebben grote deeltjesversnellers nodig om de energie niveaus te bereiken die nodig zijn om ze te produceren. Door de botsingen van deze versnelde deeltjes te bestuderen, leren we veel over de wereld van de elementaire deeltjes. Om inzicht te krijgen in al deze deeltjes en hoe ze zich gedragen, hebben fysici een theorie ontwikkeld die alle tot nu toe bekende elementaire deeltjes en hun interacties beschrijft: het {Standaardmodel}. Het Standaardmodel is opmerkelijk succesvol in het beschrijven van de data die we verzameld hebben met experimenten die gebruik maken van kosmische straling en deeltjesversnellers, maar het kan de oorsprong en eigenschappen van sommige andere, gevestigde waarnemingen niet verklaren. Fysici nemen daarom aan dat het Standaardmodel slechts een goede benadering van de werkelijkheid is; een speciale limiet van een completere, maar nog onbekende theorie over elementaire deeltjes. Het is ons doel, als deeltjesfysici, om een bewijs te vinden voor deze "grootse theorie der elementaire deeltjes”, en inzicht te krijgen in haar eigenschappen. Om te slagen in deze missie, onderzoeken we verschillende mogelijkheden: we zoeken naar nieuwe elementaire deeltjes, of naar nieuwe manieren van interactie tussen de deeltjes, enz. Al deze manifestaties van de completere theorie worden omschreven met de algemene term {nieuwe fysica}. Ondanks de vele experimenten die we reeds uitgevoerd hebben, is er tot nu toe nog geen duidelijk bewijs voor nieuwe fysica gevonden. Dat betekent dat afwijkingen van het Standaardmodel klein of moeilijk te detecteren zullen zijn, wat verdere inspanningen van zowel de experimentele als de theoretische deeltjesfysica gemeenschap vraagt. In mijn onderzoek heb ik getracht om de voorspelling die het Standaardmodel maakt voor twee specifieke observabelen, die beide erg gevoelig zijn voor nieuwe fysica, preciezer te maken. De methodes die we ontwikkeld hebben om theoretische berekeningen uit te voeren in de deeltjesfysica zijn gebaseerd op een reeksontwikkeling. Daarbij vormt elke nieuwe term in de reeks een kleine correctie op de vorige term. Dus, hoe meer termen van de reeks we in acht nemen, hoe nauwkeuriger het resultaat wordt. Echter, elke nieuwe term is ook steeds moeilijker om te berekenen. Voor vele experimentele metingen houden we daarom alleen rekening met de eerste (paar) term(en) van de serie. Maar om kleine afwijkingen te kunnen vinden volstaan deze benaderingen niet meer. Mijn thesis brengt daarom verslag uit van een studie naar de impact van hogere orde correcties voor twee zeer specifieke processen. Deze processen hebben te maken met het verval van zogenaamde neutraal geladen B mesonen. B mesonen zijn zware deeltjes die bestaan uit een bottom antiquark en een down (Bd) of een strange (Bs) quark. Zij zijn onstabiel, en leven slechts voor enkele miljardsten van een seconde, waarna ze vervallen in lichtere deeltjes. We hebben al meer dan 250 verschillende combinaties van vervalsproducten gevonden, maar voor deze thesis beperken we ons tot de twee vervalskanalen Bd->J/psi KS (uit te spreken als B-nul-naar-jee-psaai-K-short) en Bs->J/psi Phi (B-s-naar-jee-psaai-faai). In deze vervalsmodi vervalt het B meson in een J/psi deeltje, dat bestaat uit een charm en een anticharm quark, en een KS deeltje, dat bestaat uit een strange antiquark en een down quark, of een phi deeltje, dat een strange en een antistrange omvat. Je mag dit alles ook zien als een raadselachtige code die deeltjesfysici gebruiken om over bepaalde vervalsprocessen te spreken. De eerste term in de reeksontwikkeling die de Bd->J/psi KS en Bs->J/psi Phi vervallen beschrijft, staat bekend als de boom amplitude omwille van de gevorkte grafische voorstelling van het mechanisme waarmee de vervallen plaatsvinden. Daarnaast kunnen deze vervallen ook plaatsvinden via complexere vervalspaden die bekend staan als pinguïn diagrammen. Het is het hoofddoel van deze thesis om methoden te onderzoeken die de grootte van deze pinguïn diagrammen kunnen bepalen. De observabelen die we via Bd->J/psi KS en Bs->J/psi Phi kunnen meten zijn erg gevoelig voor nieuwe fysica, maar worden ook beïnvloed door de pinguïn diagrammen. Het is dus belangrijk om de twee mogelijkheden van elkaar te kunnen onderscheiden. Mijn onderzoek bestaat uit zowel een theoretisch als een experimenteel gedeelte. Aan de theoretische zijde heb ik onderzoek gedaan naar een methode om de pinguïn effecten in Bd->J/psi KS en Bs->J/psi Phi te bepalen. Deze methode maakt gebruik van symmetrie eigenschappen om informatie te halen uit vervalskanalen die sterk lijken op Bd->J/psi KS en/of Bs->J/psi Phi. Een zo’n vervalsproces is Bs->J/psi KS. Zoals geïllustreerd in mijn thesis zal dit verval in de toekomst een belangrijke rol gaan spelen om de pinguïn effecten in Bd->J/psi KS nauwkeurig te bepalen. Voor de experimentele helft van mijn onderzoek heb ik naar het vervalsproces Bs->J/psi KS gezocht met behulp van de data verzameld door het LHCb experiment op CERN, en na het gevonden te hebben metingen gedaan naar de eigenschappen van dit verval.

Searching for penguin footprints: Towards high precision CP violation measurements in the B meson system (pdf)

De promotie vindt plaats op donderdag 8 oktober 2015, om 11.45 in de Aula van de Vrije Universiteit Amsterdam, De Boelelaan 1105, Amsterdam.

Promotor: prof.dr. Robert Fleischer
Co-promotor: dr. Patrick Koppenburg

Contact Kristof De Bruyn