In deze nieuwsserie ‘Updates van de experimenten’ bespreken we de nieuwste ontwikkelingen en verwachtingen van de Nikhef-experimenten in 2015 en verder. De komende weken focusen we ons op de herstart van de LHC en bespreken we de verschillende LHC-experimenten; LHCb, ATLAS en ALICE.
De LHCb (Large Hadron Collider beauty)-detector is in staat met hoge precisie gebeurtenissen te registreren waarin zogenaamde beauty-deeltjes geproduceerd worden, die vervolgens weer vervallen. Het verval van deze instabiele deeltjes, ook wel B-mesonen genoemd, is uiterst interessant omdat er verschillen blijken te bestaan tussen de materie- en antimaterie vervals processen. Deze verschillen worden technisch aangeduid als schending van “charge-parity” (CP) symmetrie. Naast CP-schending heeft LHCb ook een onderzoeksprogramma naar specifieke vervalsprocessen van beauty mesonen die binnen het Standaard Model niet of nauwelijks mogen voorkomen (de zogenaamde ”verboden vervallen”).
Wat is er in run-1 gevonden?
Marcel Merk is programmaleider van LHCb op Nikhef. Merk: “We kijken erg uit naar run 2. In run 1 hebben we een aantal nieuwe fenomenen ontdekt en deze resultaten gaan we verder uitpluizen met de hogere botsingsenergie en –frequentie van de LHC. In de eerste run van de LHC zijn drie specifieke nieuwe fenomenen waargenomen.
Er is voor het eerst CP-schending in het verval van Bs0 waargenomen. Dit is met name interessant omdat deze deeltjes bestaan uit quarks van de 2e en 3e generatie; dus geen u- en d-quarks van de alledaagse materie.
Tegelijkertijd zijn er metingen gedaan aan mogelijke CP-schending in de quantum-overgang van een Bs0 naar een anti-Bs0. De parameter die hierbij gemeten is, de zogenaamde mixing fase φs, is een belangrijke test voor het Standaard Model; hij moet dan namelijk gelijk aan nul zijn. De waarde die gemeten is in run 1 blijkt inderdaad hiermee in overeenstemming.
Ten slotte is het “verboden” vervalsproces Bs0 → µ+ µ– voor het eerst waargenomen en is er zelfs een hint voor het – nog zeldzamere – verval Bd0 → µ+ µ–. Dit laatste is echter nog maar met lage statistiek waargenomen en kan vooralsnog ook een fluctuatie zijn van achtergrondgebeurtenissen.”
Wat is er in Large Shutdown 1 (LS1) gedaan om de detector voor te bereiden op run 2?
Merk: “In run 2 zal de botsingsenergie verhoogd zijn en dit zal leiden tot een verhoogde productie van b-deeltjes met bijna factor 2. Daarnaast zal de botsingsfrequentie in de versneller toenemen van 20 MHz to 40 MHz. Dit samen betekent dat er hogere eisen gesteld worden aan de LHCb-detectoronderdelen en in het bijzonder aan de “trigger”. Dit is het detectoronderdeel dat “online” dient te beslissen of een botsing interessant genoeg is om op te slaan voor verdere analyse of niet. In LS1 is de trigger verbeterd om meer efficiënte registratie mogelijk te maken.”
Wat zal er gebeuren tijdens en na run 2?
Zowel bij de metingen aan CP-schending als bij de metingen van verboden vervallen zijn in run 1 een aantal resultaten gevonden die op gespannen voet staan met de voorspellingen van het Standaard Model. Merk: “Deze metingen zouden eventueel beschreven kunnen worden door middel van quantumfluctuaties van nieuwe, tot dusver onbekende, deeltjes. Deze deeltjes kunnen tijdelijk (‘virtueel’) bestaan en een rol spelen in het quantumproces van het verval van een B-meson , waardoor er mogelijkerwijs grotere deeltjes – antideeltjes-asymmetrieën waargenomen kunnen worden dan verwacht volgens het Standaard Model.”
Voor LHCb is de periode na run 2 mogelijk nog crucialer. Na afloop van run 2 zal de detector een grote upgrade ondergaan. De insteek hiervan is tweeledig: enerzijds de vergroting van de gevoeligheid voor metingen aan B-deeltjes door ongeveer een factor 10 meer gebeurtenissen te verzamelen en anderzijds een verbreding van het fysicaprogramma. Merk: “Het eerste wordt mogelijk gemaakt door een verhoogde botsingintensiteit en door nieuw deeltjessporendetectoren te installeren. Daarnaast zullen een nieuw data-acquisitie- en triggersysteem het mogelijk maken om alle detectorgegevens te verzamelen met een snelheid van 40 MHz, een factor 40 hoger dan in het huidige experiment. Hierdoor wordt het mogelijk om complexe gebeurtenissen in de trigger te herkennen en op te slaan. Hierdoor wordt het ook mogelijk om andere gebeurtenissen dan B-meson-vervallen efficiënt te registreren."