Een team van theoretici van Nikhef heeft een nieuwe studie gepubliceerd over zogenaamde pinguïndiagrammen, die gedetailleerde effecten hebben in studies naar de asymmetrie tussen materie en antimaterie.
Het overzicht in European Physical Journal C is bijzonder nuttig nu experimenten met steeds grotere precisie kijken naar verschillen tussen materie en antimaterie, zegt hoofdauteur Robert Fleischer van Nikhef. “Natuurlijk moet de precisie van beide kanten komen: theorie en experiment. Dit artikel bevat de stand van zaken van 2026 op het gebied van theorie.”
Voor dit onderzoek werkte Fleischer nauw samen met zijn Nikhef-collega Kristof De Bruyn in Groningen en zijn voormalige promovendus Eleftheria Malami, nu postdoc in Cambridge.
In de deeltjesfysica ligt de focus steeds meer op precisie-experimenten om de geldigheid van het Standaardmodel te testen. In grote lijnen volstaat de theoretische beschrijving van elementaire deeltjes en hun interacties om de uitkomsten van huidige experimenten te voorspellen. Het huidige model biedt echter geen antwoord op enkele fundamentele vragen.
De afwezigheid van antimaterie in het zichtbare universum is een van de belangrijkste vragen in de fundamentele natuurkunde. In het Standaardmodel van de deeltjesfysica zijn materie en antimaterie even waarschijnlijk. Er is echter alleen materie in het universum. Waarom dat zo is, is onduidelijk.
Het bestaan van subtiele verschillen is duidelijk sinds de jaren zestig, toen werd ontdekt dat de zwakke kernkracht niet precies hetzelfde werkt voor mesonen en hun antideeltjes. Meer recentelijk is ontdekt dat gewone materiedeeltjes (met drie quarks) ook verschillen van hun antideeltjes.
Natuurkundigen noemen dit CP-schending. Antideeltjes hebben de tegenovergestelde lading van deeltjes, terwijl alle andere eigenschappen gespiegeld zijn. Metingen tonen echter aan dat deze theoretische symmetrie in sommige processen niet perfect is.
Omgekeerd kan het meten van CP-schending aanwijzingen opleveren voor verbeteringen of uitbreidingen van het Standaardmodel. Om deze reden is CP-schending een belangrijk onderzoeksonderwerp in experimenten bij CERN en elders.
Onderzoekers richten zich vaak op B-mesonen, deeltjes die bestaan uit één quark en één antiquark, waarvan één een beautyquark is. Onder andere het LHCb-experiment bij CERN, een van de Nikhef-programma’s, bestudeert dit soort deeltjes intensief.
Internationaal zijn er een aantal versneller- en meer gespecialiseerde experimenten actief, bekend als B-fabrieken, zoals Belle-II en Babar, en zijn er nieuwe in voorbereiding, die nog gedetailleerder zullen kijken naar de subtiele afwijkingen in de symmetrie van B-mesonen en hun antideeltjes.
Fleischer verwacht veel van de komende upgrade van de LHC-versneller bij CERN, die veel meer meetgegevens zou moeten opleveren met intensere stralen (hoge luminositeit). Gedetailleerd onderzoek naar CP-schending is ook een belangrijk onderwerp in de argumentatie voor de mogelijke nieuwe 90 kilometer lange FCC-ee-versneller bij CERN.
In hun nieuwe paper vatten Fleischer, De Bruyn en Malami de meest actuele inzichten samen in eerste-orde correcties via pinguïnprocessen op theoretische berekeningen van B-mesonverval.
Dit omvat zowel nieuwe theoretische technieken als experimentele waarden uit experimenten. Het artikel maakt ook schattingen van de bijdrage die toekomstige experimenten zouden kunnen leveren. Delen van deze analyses zijn opgenomen in de documentatie van de nieuwe Europese strategie voor deeltjesfysica, die in mei zal worden gepresenteerd.
Fleischer: “We gaan een tijdperk tegemoet waarin we pinguïns in al hun glorie zullen zien. Niet als bijzaak, maar als hoofdzaak. Ik ben hier sinds 1999 mee bezig. Dit is dus een droom die uitkomt.”
Pinguïns?
De term pinguïndiagram is afkomstig van CERN-theoreticus John Ellis, die in 1977 een weddenschap met collega’s in Genève verloor en daarom moest beloven het woord “pinguïn” in zijn volgende publicatie te gebruiken. Ellis vertelt openhartig in zijn memoires dat hij na het roken van “een illegale substantie” aan het werk ging en plotseling de contouren van een pinguïn herkende in bepaalde Feynman-diagrammen.
Feynman-diagrammen zijn schematische weergaven van deeltjesinteracties, bedacht door Richard Feynman in de jaren vijftig. Ellis bestudeerde destijds het spontane verval van mesonen, deeltjes die bestaan uit twee quarks, waarvan er één een quantumtransformatie ondergaat.
Tijdens deze transformatie wordt er voor een kort moment een krachtdeeltje gecreëerd dat onmiddellijk weer wordt geabsorbeerd, waardoor het diagram een lus vertoont. Ellis tekende de lussen opzettelijk zo dat ze het lichaam van een pinguïn vormen, met sporen langs de poten en vleugels. De pinguïnprocessen leveren soms belangrijke correcties op voor de berekening van het hoofdproces.
