In theorie zijn elektronen, muonen en tau-leptonen identiek, afgezien van hun massa. Maar meten is weten, en het ATLAS-experiment gebruikt daar als eerste de LHC-versneller voor.
Vandaag publiceert het experiment een analyse van de zogeheten lepton-universaliteit die is nagemeten met botsingen in de LHC-versneller op CERN in Genève. Daarbij werd gekeken naar eventuele verschillen in de koppeling van deeltjes met het W-deeltje, drager van de zwakke wisselwerking.
In de maandag in Nature Physics gepubliceerde metingen blijken geen verschillen van betekenis in de relatie van het muon en het tau-deeltje met W-deeltjes die zijn ontstaan bij protonbotsingen in de LHC-versneller.
Leptonen zijn elementaire deeltjes in het standaardmodel. Het elektron is het bekendste. Maar in de natuur blijken ook een 200 keer zwaardere versie voor te komen, het muon. En een nog veel zwaarder tau-deeltje.
Voor zover theoretici weten, is massa het enige verschil tussen deze deeltjes. Vraag daarbij is waarom er eigenlijk drie generaties van een vergelijkbaar deeltje bestaan in de deeltjeswereld. “Who ordered this?”, vroeg fysicus Rabi zich ooit af, toen in kosmische straling muonen opdoken.
Naar de nieuwe metingen van de vergelijkbaarheid van muonen en taudeeltjes werd al jaren reikhalzend uitgekeken. In 2013 suggereerden metingen van LEP, de voorganger van de LHC op CERN, dat er wel een extra verschil tussen de muonen en tau deeltjes kon bestaan. Het verschil tussen elektronen en muonen leek daar al minimaal.
De laatste jaren is leptonuniversaliteit een hot topic in de deeltjesfysica. In het LHCb-experiment, ook op CERN, werd dit voorjaar een mogelijke afwijking tussen elektronen en muonen gezien. Die was statistisch nog niet hard. Maar afwijkingen zouden kunnen duiden op een nieuwe kracht in de deeltjeswereld.
De onzekerheid van de eerdere afwijking in LEP was 2,7 sigma, intrigerend maar nog geen serieus verschil. In de nieuwe metingen van ATLAS is de onzekerheid gehalveerd, maar is ook het mogelijke verschil tussen tau en muon verdwenen.
Toch is dit een bijzonder resultaat, zegt ATLAS-groepsleider Wouter Verkerke van Nikhef. Dat niet direct bij deze analyses betrokken is.
Het verschil is dat LEP destijds met botsende puntdeeltjes zonder veel achtergrondruis W en Z-deeltjes kon maken. “De LHC laat protonen botsen, geen puntdeeltjes dus wat veel meer achtergrond geeft. We zien nu dat je daar toch deze analyse uit kunt destilleren”, aldus Verkerke.
ATLAS test ook smaakverandering in leptonen
Op 1 juli verscheen in Nature Physics een artikel van de ATLAS-samenwerking over wat heet charged lepton flavour violation, overtredingen van de regel dat in deeltjesbotsingen het aantal geladen elementaire deeltjes van een bepaald type niet verandert. Het standaardmodel kent drie van zulke typen (smaken of flavours): het elektron, het muon en het taudeeltje. In principe verschillen die drie alleen in massa, tenzij er onbekende krachten in het spel zijn.
Smaakveranderingen in de deeltjeswereld bestaan wel degelijk: de ongeladen elektron-, muon- of tau-neutrino’s wisselen aantoonbaar wel onderling van identiteit. In theorie wordt een elektron nooit een muon of taudeeltjes, of omgekeerd, zonder dat er neutrino’s en anti-neutrino’s in het spel komen die de boekhouding kloppend houden. Zo kan een tau-deeltje een muon worden als er tegelijk ook een tau-neutrino en een anti0muonneutrino vrijkomen.
Maar echt verboden lijkt het ook niet en er zijn vele theorieën die een afwijking voorspellen. Tests kunnen misschien aangeven welke daarvan klopt.
In protonbotsingen in de LHC-versneller keek de ATLAS-detector bij het verval van vrijkomende Z-deeltjes naar eventuele veranderingen onderweg van elektronen in tau-deeltjes of muonen in tau-deeltjes. De kans daarop is met grote precisie extreem klein, is de conclusie van ATLAS, op basis van metingen van Z-vervallen tot nog toe.
Dat was in de jaren ’90 ook al de conclusie van experimenten bij de LEP-versneller, de voorganger van de huidige LHC-versneller op CERN. Toch, zegt ATLAS-groepsleider Wouter Verkerke van Nikhef, is dit een belangrijk resultaat. “Bij LEP ging het om botsingen van puntdeeltjes die nette Z-bosonen leveren en weinig verstorende achtergrond. Bij LHC heb je botsende protonen, samengestelde deeltjes die veel meer achtergrond geven. Maar ook heel veel meer Z-deeltjes waardoor we deze analyse goed kunnen doen, blijkt nu.”
De methodieken voor de nieuwe analyses in ATLAS berusten ondermeer op het werk van wijlen Nikhef-onderzoeker Olga Igonkina (1973-2019) en haar team, die het werk na haar dood hebben voortgezet. In de komende jaren zal met meer metingen in de LHC de precisie van de test na charged lepton flavour violation nog veel verder groeien, is de verwachting.