Het LHCb-experiment op CERN ziet mogelijk een glimp van nieuwe fysica. Het experiment heeft in zijn metingen een serieuze aanwijzing gevonden dat elektronen en hun zwaardere evenbeeld muonen niet exact hetzelfde op krachten reageren.
Dat zou betekenen dat de huidige theorie van de deeltjeswereld tekort schiet en mogelijk een onbekende extra kracht in het spel is.
De metingen zijn stevig genoeg voor “voorzichtige opwinding” onder natuurkundigen, maar statistisch is er nog geen sprake van een ontdekking van iets nieuws, aldus de LHCb-onderzoekers. Nikhef is nauw betrokken bij het LHCb-werk.
De resultaten zijn op 23 maart gepresenteerd tijdens een CERN-seminar. Daar werd ook nog een tweede opmerkelijk resultaat gemeld; waarnemingen van het zeldzaamste vervalproces dat ooit is gezien van zogeheten B-mesonen. De deeltjesprocessen worden door LHCb waargenomen tijdens botsingen van protonen in de LHC-versneller op CERN.
Volgens het Standaardmodel van de deeltjeswereld is hun massa het enige verschil tussen elektronen en muonen. Een muon is zo’n 200 keer zwaarder dan een elektron. In de theorie is er verder sprake van leptonuniversaliteit, wat betekent dat verschillende types leptonen identieke krachten voelen.
Het verval van B-mesonen via zogenaamde ‘penguin’-processen naar Kaon-deeltjes, samen met enerzijds muonen of anderzijds elektronen, is een uiterst gevoelige methode om deze universaliteit te testen. De meting wordt uitgedrukt in een grootheid R_K, het aantal B-vervallen naar muonen gedeeld door het aantal vervallen naar elektronen.
Afwijking 3.1 sigma
Waar het Standaardmodel een waarde van R_K = 1 verwacht, is het door LHCb gevonden resultaat R_K = 0.846 + 0.044 – 0.041. Dat komt overeen met een afwijking van 3.1 sigma ten opzichte van de verwachting van het Standaardmodel. Dit is een aanwijzing dat de natuurkrachten niet gelijk zijn voor elektronen en muonen. Dat is mogelijk ook een aanwijzing voor het bestaan van een nog onbekende vijfde natuurkracht.
De nieuwe meting is het resultaat van alle data die door LHCb verzameld zijn in run-1 en run-2 van de LHC. De meting is uitgevoerd door een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de LHCb physics coördinator Niels Tuning van Nikhef.
Tijdens de onderzoeksperiode werd de hele meetprocedure maandenlang op onvolkomenheden getest door een team van drie prominente LHCb reviewers, onder wie Wouter Hulsbergen van Nikhef.
De reviewers hebben elke steen in de analyse omgekeerd, zegt Hulsbergen daarover: “Ik ben van nature nogal kritisch, maar ik heb er geen speld tussen gekregen.”
Het feit dat de afwijking net voorbij de statistische grenswaarde van 3 sigma ligt, betekent volgens de afspraken binnen het vakgebied dat er sprake mag zijn van een aanwijzing (“evidence”) voor een afwijking van het Standaardmodel.
Pas bij een afwijking voorbij 5 sigma wordt er gesproken van een definitieve waarneming. Om die reden wordt er nu gesproken van “voorzichtige opwinding” binnen de CERN-gemeenschap.
Nikhef-onderzoeker Niels Tuning: “Het spannende van een dergelijke afwijking is dat het nog alle kanten op kan: beweegt het resultaat richting het Standaardmodel, of richting een ontdekking, als later dit jaar een tweede meting wordt toegevoegd?”
Zeldzaamste verval
Het tweede resultaat dat dinsdag wereldkundig is gemaakt, is een nieuwe meting van het zeer zeldzame vervalproces van een Bs-meson naar twee muonen, ook gebruikmakend van de data van de volledige Run-2. Omdat er in dit proces alleen twee muonen vrijkomen is dit quantumproces nog verder onderdrukt dan bovenstaande ‘penguin’-processen; we spreken van een “zeer zeldzaam verval”.
Het gevonden resultaat is BR (Bs -> 𝜇𝜇) = 3.09 + 0.48 – 0.44 x 10^(-9). Slechts één op de drie miljard Bs mesonen vervalt naar twee muonen. Daarmee is dit het zeldzaamste verval ooit gemeten bij de LHC, en tegelijk een proces dat erg gevoelig is voor potentiële bijdragen van nog onontdekte quantumdeeltjes.
Daarnaast is er ook nog gezocht naar het vergelijkbare maar nog zeldzamer verval van B0-deeltjes naar twee muonen. De gevonden waarde daarvoor is 1.2 + 0.8 – 0.7 x 10^(10). Statistisch is dit nog niet voldoende om “evidence” te heten.
Het onderzoek van de zeer zeldzame B-vervallen bevat bijdrages van Nikhef/Universiteit Maastricht-onderzoekers Silvia Ferreres en Jacco de Vries, in samenwerking met CERN-fellow Mick Mulder.
De Vries: “Om zo’n zeldzaam verval te kunnen meten, moeten alle stappen van de analyse zorgvuldig gekalibreerd worden – daar zijn we de laatste jaren druk mee bezig geweest.”
Mick Mulder: “Met de verbeterde meting van dit zeer zeldzame verval doen we een precieze test van ons Standaardmodel die ons meer vertelt over de mogelijke nieuwe deeltjes die aan de universaliteitstest bijdragen.”
Silvia Ferreres: “Twee jaar hard werken aan de kalibraties was helemaal de moeite waard! Dat we alle puzzelstukjes samenleggen en dan zo’n prachtig resultaat zien, is een droom die uitkomt.”
Nieuwe deeltjes
Vanwege de nu gepubliceerde metingen heerst er bij de onderzoekers een sfeer van “voorzichtige opwinding” over de mogelijke ongelijkheid van elektronen en muonen. Verdere bevestiging is nodig voordat er van een daadwerkelijke doorbraak sprake is.
In het LHCb-experiment zijn meerdere analyses onderweg die in het voorjaar een bevestiging kunnen geven van de afwijking van het Standaardmodel. Uiteindelijk is van belang dat de metingen ook door andere experimenten bevestigd worden. Naast het LHCb-experiment zijn ook CMS en ATLAS betrokken in de race en binnenkort ook het Belle II-experiment in Japan.
Wanneer deze metingen bevestigd worden, betekent het ook dat er sprake is van een nieuwe natuurkracht naast de vier bekende fundamentele krachten. Het bijzondere van deze nieuwe natuurkracht is dan dat het een kracht betreft die onderscheid maakt tussen de verschillende leptonen.
Een combinatie van allerlei verschillende metingen, waaronder R_K en Bs -> 𝜇𝜇, zal dan vervolgens de karakteristieke eigenschappen van een dergelijke natuurkracht, overgebracht door een nieuw quantumdeeltje, in kaart brengen.
Naast bovengenoemde metingen bevinden zich nog andere, lang verwachte, metingen in de pijplijn, met name de zogenaamde R_D meting die de universaliteit van elektronen en muonen met tau-deeltjes test. De huidige data wijzen in de richting dat de nieuwe kracht het sterkst optreedt bij deze derde generatie tau-deeltjes. Deze nieuwe kracht kan dan mogelijk een belangrijke rol gespeeld hebben in het vroege universum.
Marcel Merk, programmaleider van het LHCb-project bij Nikhef en hoogleraar deeltjesfysica aan de Universiteit Maastricht, noemt de huidige ontwikkelingen superspannend: “Op 21 januari dit jaar kregen de analisten voor het eerst de data te zien. Ik kreeg van Mick Mulder kort daarna twee appjes: “0.85” en “meer dan 3 sigma”. Mijn hart sprong over. Wow, dit is het, dacht ik: dit is de reden dat ik 25 jaar geleden aan het onderzoek met LHCb begonnen ben.”
