LHCb-experiment: nieuwe licht op verschil tussen materie en antimaterie

21-03-2019

Het LHCb-experiment op CERN van ondermeer Nikhef heeft resultaten gepubliceerd die een nieuw licht werpen op de zogeheten CP-schending. Dat is een afwijking van een haast universele symmetrie tussen materie en antimaterie in de deeltjeswereld.

Die afwijking was tot nog toe vooral goed bestudeerd voor deeltjes met een bottom-quark en deeltjes met een strange-quark. LHCb maakt nu voor het eerst ook metingen bekend van CP-schending in deeltjes met het veel lichtere charm-quark, zogeheten D-mesonen.

Fysici zijn opgetogen over het resultaat. ‘We zien geen heel gekke dingen, maar dat we CP-schending meten in een heel nieuw quarksysteem is wel echt een primeur’, zegt LHCb-groepsleider prof. Marcel Merk van Nikhef in Amsterdam. De Nederlandse LHCb-teamleden zijn mede-auteurs van de publicatie over de metingen, die vandaag online op Arxiv.org zijn gepubliceerd en in Italië worden gepresenteerd op de jaarlijkse Rencontres de Moriond-conferentie.

CP-schending is een centraal thema in de deeltjesfysica, omdat deze asymmetrie kan wijzen op diepe verschillen tussen materie en antimaterie. Zulke deeltjes zijn in theorie haast identiek, behalve dat ze een tegengestelde lading hebben en een tegengestelde ruimtelijkheid, de pariteit.

Beide typen deeltjes ontstaan in versnellerexperimenten en kunnen onderzocht worden op kleine verschillen om de Standaard deeltjestheorie te testen. Het LHCb-experiment op CERN is speciaal gebouwd om zulke verschillen aan het licht te brengen.

CP-symmetrie heeft betrekking op de lading (charge C) van een deeltje en de pariteit P. Bij een omkering van de lading van een deeltje ontstaat zijn antideeltje, bij omkering van de pariteit ook. In de deeltjestheorie lijkt een gelijktijdige omkering van de lading en van de richting in de ruimte netto geen effect te hebben. In werkelijkheid blijkt de symmetrie niet goed op te gaan bij sommige vormen van deeltjesverval, waarbij een quark overgaat in een quark met een andere elektrische lading, via de zogeheten zwakke wisselwerking.

Het bestaan van CP-schending werd in 1964 voor het eerst experimenteel aangetoond in het verval van kaonen, deeltjes met een strange-quark. Voor die ontdekking werd in 1980 een Nobelprijs toegekend. In experimenten als BaBar in de VS en Belle in Japan bleek in 2002 het verval van B-mesonen en van hun antideeltjes meetbaar te verschillen.

De nieuwe LHCb-metingen zijn gedaan aan D0-mesonen (met een charm-quark) en hun antideeltjes die volop ontstaan bij de proton-protonbotsingen in de LHC-versneller in het hart van de LHCb-detector. Daarbij werd het verval van beide deeltjestypes vergeleken. Data uit zowel de eerste meetperiode van de LHC als de recentere run-2 zijn voor de analyses gebruikt.

In de metingen is een kleine CP-schending te zien met een hoge statistische zekerheid (meer dan 5 sigma, de norm voor een ontdekking in de deeltjesfysica). Tegelijk, zegt Merk, is het effect met 0,15 procent zo minimaal, dat theoretici de afwijking waarschijnlijk zullen kunnen verklaren binnen de standaardtheorie. ‘Een kwestie van nog meer correcties doorrekenen, schat ik’, aldus Merk.

Volgens de LHCb-collaboratie is het resultaat ook belangrijk omdat het een derde experimenteel venster biedt op CP-symmetrie.

Het originele (engelstalige) LHCb-persbericht volgt hieronder.

 

LHCb sees a new flavour of matter–antimatter asymmetry

The LHCb collaboration has observed a phenomenon known as CP violation in the decays of a particle known as a D0 meson for the first time

The LHCb collaboration at CERN has seen, for the first time, the matter–antimatter asymmetry known as CP violation in a particle dubbed the D0 meson. The finding, presented today at the annual Rencontres de Moriond conference and in a dedicated CERN seminar, is sure to make it into the textbooks of particle physics.

“The result is a milestone in the history of particle physics. Ever since the discovery of the D meson more than 40 years ago, particle physicists have suspected that CP violation also occurs in this system, but it was only now, using essentially the full data sample collected by the experiment, that the LHCb collaboration has finally been able to observe the effect,” said CERN Director for Research and Computing, Eckhard Elsen.

The term CP refers to the transformation that swaps a particle with the mirror image of its antiparticle. The weak interactions of the Standard Model of particle physics are known to induce a difference in the behaviour of some particles and of their CP counterparts, an asymmetry known as CP violation. The effect was first observed in the 1960s at Brookhaven Laboratory in the US in particles called neutral K mesons, which contain a “strange quark”, and, in 2001, experiments at the SLAC laboratory in the US and the KEK laboratory in Japan also observed the phenomenon in neutral B mesons, which contain a “bottom quark”. These findings led to the attribution of two Nobel prizes in physics, one in 1980 and another in 2008.

CP violation is an essential feature of our universe, necessary to induce the processes that, following the Big Bang, established the abundance of matter over antimatter that we observe in the present-day universe. The size of CP violation observed so far in Standard Model interactions, however, is too small to account for the present-day matter–antimatter imbalance, suggesting the existence of additional as-yet-unknown sources of CP violation.

The D0 meson is made of a charm quark and an up antiquark. So far, CP violation has only been observed in particles containing a strange or a bottom quark. These observations have confirmed the pattern of CP violation described in the Standard Model by the so-called Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mixing matrix, which characterises how quarks of different types transform into each other via weak interactions. The deep origin of the CKM matrix, and the quest for additional sources and manifestations of CP violation, are among the big open questions of particle physics. The discovery of CP violation in the D0 meson is the first evidence of this asymmetry for the charm quark, adding new elements to the exploration of these questions.

To observe this CP asymmetry, the LHCb researchers used the full dataset delivered by the Large Hadron Collider (LHC) to the LHCb experiment between 2011 and 2018 to look for decays of the D0 meson and its antiparticle, the anti-D0, into either kaons or pions. “Looking for these two decay products in our unprecedented sample of D0 particles gave us the required sensitivity to measure the tiny amount of CP violation expected for such decays. Measuring the extent of the violation then boiled down to counting the D0 and anti-D0 decays and taking the difference,” explained Giovanni Passaleva, spokesperson for the LHCb collaboration.

The result has a statistical significance of 5.3 standard deviations, exceeding the threshold of 5 standard deviations used by particle physicists to claim a discovery. This measurement will stimulate renewed theoretical work to assess its impact on the CKM description of CP violation built into the Standard Model, and will open the window to the search for possible new sources of CP violation using charmed particles.