LHCb zoekt zwarte zwanen – en andere nieuwe natuurkunde

26 - 03 - 2018


Het LHCb-onderzoeksteam, waar Nikhef deel van uitmaakt, presenteerde goede resultaten op de jaarlijkse Moriond-conferentie voor deeltjesfysici in Italië. Een van de resultaten is onlangs gepubliceerd in het Journal of High Energy Physics.

De LHCb-detector is een van de vier detectoren van de deeltjesversneller LHC op CERN. Deze detector is gebouwd om meer te weten te komen over de eigenschappen van materie en antimaterie. Deeltjes en hun antideeltjes ontstaan gelijktijdig, in perfecte symmetrie. Tenminste, dat was het idee. Maar dat idee lijkt niet helemaal te kloppen: dat ons heelal vooral uit materie bestaat, en de bijbehorende antimaterie verdwenen lijkt, doet vermoeden dat er toch een lichte vorm van asymmetrie bestaat tussen de eigenschappen van deeltjes en hun antideeltjes.

Voor het onderzoek naar die subtiele verschillen dient de LHCb-detector. Die is gebouwd voor het meten van zogeheten B-mesonen, deeltjes die ontstaan bij de botsingen in de versneller. Die deeltjes vervallen weer in andere deeltjes, en door dat verval te meten krijgen natuurkundigen beter zicht op de spelregels van de deeltjesfysica. Bij alle metingen is de vraag, in hoeverre ze in lijn zijn met de theorie van het standaardmodel, of dat ze daar niet goed in passen – en er dus zogeheten ‘nieuwe natuurkunde’ nodig is om de resultaten te verklaren.

Golden Mode
Sean Benson leidt het LHCb-data-analyseteam van Nikhef. “We zijn heel tevreden, het zijn de beste resultaten tot nog toe”, vertelt hij over één van de onderzoeken die op de Moriond-conferentie is gepresenteerd. De LHCb-fysici bestudeerden het weinig voorkomend verval van zogeheten Bs-mesonen in twee φ-mesonen. Uit de metingen van 2011 tot 2016 ‘vingen’ ze dit verval 8500 keer. De Bs-mesonen ontstaan in de LHC in twee varianten: de materievariant, en de antimaterievariant. Natuurkundigen willen weten of dat in dezelfde hoeveelheden gebeurt. De uitkomst van het experiment wordt uitgedrukt in een hoek: 0 graden is de verwachte uitkomst van het standaardmodel. “We hebben nu -4 graden gemeten, met een foutenmarge van 8 graden”, zegt Benson. “We zien dus een afwijking, maar de metingen zijn niet nauwkeurig genoeg om te concluderen dat het standaardmodel er naast zit en dat er nieuwe natuurkunde in het spel is.” Benson kijkt uit naar de upgrade van de LHCb-detector in 2018, waarna er veel meer metingen zullen komen van dit vervalsproces. “We noemen dit de Golden Mode – dit is een verval waar we dankzij de upgrade straks veel meer mee kunnen”, vertelt Benson. Met extra metingen die nog zullen volgen, zal de foutenmarge van dit resultaat verder slinken. Bovendien wordt het dan mogelijk om onderscheid te maken tussen drie varianten van het verval. Benson: “Ik ben enorm benieuwd waar we dan op uitkomen.”

Standaardmodel voldoet
Tegelijkertijd verschenen de resultaten van een onderzoek naar het verval van Bs-mesonen in zogeheten Ds-deeltjes en kaonen. Dit onderzoek is gepubliceerd in het Journal of High Energy Physics. Hier zien de natuurkundigen verschil tussen het verval van Bs-mesonen en hun anti-deeltjes, afhankelijk van de levensduur van de mesonen. Dit kan volgens het standaardmodel; de metingen zijn vooral bedoeld om te kijken hoe groot het verschil is. Niels Tuning, senior-onderzoeker van Nikhef: “Vooralsnog laten de gegevens zien dat de nu bekende elementaire deeltjes toereikend zijn om de metingen te verklaren.” Hier duikt dus nog geen nieuwe natuurkunde op. Tuning: “We zijn er dus nog niet uit. Het blijft zoeken naar nieuwe deeltjes om het antimaterie-raadsel op te lossen.”

(Nog?) geen zwarte zwaan
Een derde belangrijk resultaat van de LHCb is op de winterconferentie gepresenteerd door Nikhef-promovendus Maarten van Veghel. Hij is op zoek naar een zwarte zwaan, zo legt hij uit. “We zoeken naar het verval van een B-meson in een muon en een elektron.” Dit verval komt volgens het standaardmodel niet voor. “Als we het dus toch zien, dan is het net zoals wanneer je voor het eerste een zwarte zwaan ziet. Je weet dan zeker dat er naast witte zwanen ook zwarte zwanen bestaan. Als wij dit verval vinden, dan is in één klap duidelijk dat er nieuwe fysica moet zijn buiten het standaardmodel.” In de huidige data is de zwarte zwaan nog niet gevonden. “We weten nu zeker dat dit verval – áls het voorkomt – minder dan 6 keer per miljard vervallen van B-mesonen gebeurt. Het gebeurt dus nooit, of zelden.” Ook hier geldt dat nieuwe metingen dit resultaat verder zullen verfijnen.

Meer informatie
Publicatie “Measurement of CP asymmetry in Bs0 -> Ds∓ K± decay”: https://doi.org/10.1007/JHEP03(2018)059
Nieuwsbericht: Moriond-conferentie 2018
Nieuwsbericht: ATLAS-resultaten op Moriond

Achtergrondartikelen
Website LHCb-experiment: update over resultaten op Moriond (voor wetenschappers)
“It is clear inconclusive LHCb data are stimulating strange new ideas”: conferentieverslag Benn Allamach, theoretisch fysicus van Cambridge University, The Guardian
Beauty quark test lepton universality: artikel CERN Courier over onderzoek LHCb naar afwijkingen
“We need to talk about Higgs”: artikel CERN Courier over de verwachtingen van de natuurkundigen