Ruben Jaarsma, promovendus aan het Nikhef, verdedigt zijn proefschrift woensdag 26 juni 2024 om 15.45 aan de Vrije Universiteit Amsterdam.
“Verval van B-mesonen als middel om Nieuwe Natuurkunde te ontdekken”
Het begrijpen van de elementaire deeltjes en hun interacties is al lang een belangrijk streven in de wetenschap. Het Standaardmodel van de deeltjesfysica biedt een bijzonder succesvol kader om deze fundamentele deeltjes en krachten te beschrijven. Echter blijven er nog grote open vragen bestaan, zoals over de aard van donkere materie en energie, de unificatie van het Standaardmodel met de Algemene Relativiteitstheorie, en de asymmetrie tussen materie en antimaterie in het universum.
Deze scriptie omvat het domein van smaakfysica, waarbij de focus gelegd wordt op het verval van B-mesonen om het Standaardmodel met hoge precisie te onderzoeken. We verkennen verschillende vervalkanalen van B-mesonen, waarbij we gebruik maken van observeerbare grootheden zoals vertakkingsverhoudingen en CP-asymmetrieën om ons begrip van het Standaardmodel te verbeteren en mogelijk Nieuwe Natuurkunde te ontdekken.
Allereerst onderzoeken we zeldzame leptonische vervalkanalen van neutrale B-mesonen, zoals het verval in een muon–anti-muonpaar of een elektron-positronpaar. Binnen het Standaardmodel lijden deze onder een effect dat bekend staat als heliciteitsonderdrukking, wat een van de redenen is voor hun zeldzaamheid. De elektron-positron eindtoestand heeft een kans van 10^{-13} of zelfs 10^{-15} om te worden geproduceerd door Standaardmodelprocessen, afhankelijk van het type neutraal B-meson. Echter, bepaalde soorten Nieuwe Natuurkunde zouden de heliciteitsonderdrukking kunnen opheffen en dit verval naar een niveau kunnen brengen waar het waargenomen zou kunnen worden door huidige experimenten.
Ten tweede beschouwen we vervallen van geladen B-mesonen naar een puur leptonische eindtoestand, alsmede eindtoestanden bestaande uit zowel leptonen als mesonen, in een gecombineerde analyse. Het onderliggende zwakke-interactieproces is hetzelfde in beide gevallen, zodat Nieuwe Natuurkunde aan alle deze kanalen zou bijdragen. We verkrijgen resultaten in overeenstemming met het Standaardmodel, waarbij we effecten van Nieuwe Natuurkunde beperken. Ook hier zien we dat sommige vervalmodi lijden onder heliciteitsonderdrukking in het Standaardmodel, wat door bepaalde nieuwe bijdragen kan worden opgeheven. Zelfs binnen de beperkingen van huidige experimentele gegevens zou het verval van een geladen B-meson in een eindtoestand bestaande uit een elektron en een anti-neutrino tot wel tienduizend keer zijn Standaardmodelwaarde kunnen worden verhoogd.
Tot slot onderzoeken we het gebruik van smaaksymmetrie in de analyse van neutrale B-mesonvervallen naar eindtoestanden bestaande uit pionen en kaonen om fundamentele parameters gerelateerd aan CP-schending te bepalen. Met het oog op toenemende experimentele precisie minimaliseren we de effecten die de smaaksymmetrie verbreken om de precisie van de theoretische analyse te verbeteren, waardoor we inzichten verschaffen in mogelijke afwijkingen van de voorspellingen van het Standaardmodel en van alternatieve metingen.
Dit proefschrift benadrukt het potentieel van B-mesonnatuurkunde in het onderzoek naar nieuwe fenomenen. De zoektocht naar verbeterde experimentele precisie en theoretisch begrip in dit domein is cruciaal voor het ontrafelen van de mysteries die voorbij het Standaardmodel liggen. We bieden nieuwe inzichten en leggen de basis voor toekomstige experimentele inspanningen die hopelijk licht zullen werpen op wat voorbij het Standaardmodel ligt.
“B-Meson Decays as Probes of New Physics” (pdf)
De promotie vindt plaats op woensdag 26 juni, om 15.45 in de Aula van de Vrije Universiteit, De Boelelaan 1105, 1081 HV Amsterdam.
Meer informatie en een link naar de online livestream op de website van de VU.
Promotor: prof. dr. R. Fleischer
Co-promotor: prof. dr. P.J.G. Mulders
Contact: Ruben Jaarsma