Nog geen einde aan thriller rond het Standaard Model

22-03-2019

Reikhalzend werd ernaar uitgekeken: de nieuwe metingen van het verval van B-mesonen met het LHCb-experiment op CERN. Eerdere metingen suggereerden afwijkingen van de bekende deeltjesfysica. Maar op de jaarlijkse Moriond-natuurkundeconferentie in Italië bleken vandaag (22 maart) meer metingen toch nog geen uitsluitsel te geven.

‘Een grote afwijking had wellicht meer consternatie opgeleverd dan de higgs en de zwaartekrachtsgolven bij elkaar’, zegt LHCb-groepsleider Marcel Merk van Nikhef. Maar vooralsnog is dat niet aan de orde, erkent hij. ‘Sommige mensen zullen teleurgesteld zijn, maar anderen onder ons houden juist ook hoop op iets bijzonders. Het verhaal is niet gedaan.’

LHCb observeert B-mesonen die ontstaan bij de botsingen van protonen in de LHC-versneller op CERN. Het verval van de B-deeltjes naar kaonen en twee leptonen is fysisch interessant omdat het op twee manieren kan verlopen. In het ene geval komen bij de vervalreactie twee elektronen vrij, in het andere geval twee muonen. Zulke muonen zijn een zwaardere versie van elektronen.

Fysici zijn geïnteresseerd in die tweeslachtigheid omdat die iets kan zeggen over de manier waarop de deeltjestheorie de wereld ziet. Het Standaardmodel bestaat uit quarks en leptonen, die in drie generaties onderverdeeld zijn. Gewone materie is gebouwd uit up- en down-quarks en elektronen. Maar van elk van die deeltjes bestaan ook twee zwaardere varianten.

Die drievoudige opbouw is een van de centrale raadsels in de deeltjesfysica. Volgens het Standaardmodel verschillen de generaties alleen in hun massa’s. Maar waarom er uberhaupt drie generaties zijn is niet begrepen. Experimenten als LHCb proberen die zogeheten lepton-universaliteit in detail te testen, om te zien of er echt niet meer verschillen dan alleen de massa zijn. Afwijkingen zouden aanwijzingen naar een verklaring van de deeltjesstructuur kunnen betekenen.

Volgens het huidige Standaard Model van de deeltjesfysica zijn de twee vervalroutes van B-deeltjes even waarschijnlijk en moeten bij metingen van B-verval ongeveer evenveel elektronen als muonen ontstaan. Dat leidt tot een verhouding R van 1.

Bij eerdere metingen uit de eerste meetjaren van LHCb kwam geen verhouding R van 1 maar van 0,75 +- 0.09. Echt in tegenspraak met het Standaard Model was dat echter niet, omdat de uitkomst statistisch te zwak was en de afwijking ook gewoon toeval kon zijn. Het resultaat werd in 2008 gepubliceerd en wekte veel interesse. Met meer meetgegevens, was wel de verwachting, zou meer over een eventuele afwijking van het Standaard Model te zeggen kunnen zijn.

Voor de huidige Monriond-conferentie werden oude en nieuwe meetgegevens aan B-verval samengenomen. Dat leidt nu tot een nieuwe waarde voor de elektron-muonverhouding van 0.85+-0.06. Dat lijkt dichter bij 1, maar de statistici van LHCb stellen ook vast dat het resultaat nog net zo ongewis is als bij de eerdere uitkomst. ‘Het verhaal is nog niet klaar’, zegt Merk.

Hij heeft zich persoonlijk wel even moeten verbijten toen de resultaten van de analyses duidelijk werden. ‘Maar als je naar de feiten kijkt, stel je vast dat een antwoord op de deeltjesgeneratiepuzzel nog steeds tot de mogelijkheden behoort. Het alternatief zou na een kwart eeuw zoeken pas echt een vervelende conclusie zijn.’

Fysicus Patrick Koppenburg van Nikhef en CERN noemt de uitkomsten niettemin opwindend. ‘Het is misschien geen wereldnieuws, maar LHCb levert wel wat er nu over te zeggen is. Ik zou het toch echt wel een hoogtepunt van Moriond 2019 willen noemen.’

Pinguins?

B-mesonen uit botsingen in de LHC-versneller vervallen naar kaonen en twee leptonen via wat theoretici een pinguinproces noemen. Die naam komt van het reactieschema (een zogeheten Feynmandiagram) dat vaag iets van de zuidpoolvogel heeft. Het proces begint met een B-meson dat is gebouwd uit een d- en een b-quark. Dat b-quark gaat via een W-deeltje over in een s-quark, plus (uiteindelijk) een elektron en een positron, of een muon en een antimuon. In het Standaard Model zijn beide varianten even waarschijnlijk. Om het model te testen wordt daarom in experimenten als LHCb juist naar verschillen gezocht. De term pinguinproces komt van CERN-theoreticus John Ellis die ooit een partijtje darts verloor van collega’s en had beloofd bij verlies hoe dan ook het woord pinguin in zijn volgende publicatie te zullen gebruiken.