Wat gebeurt er tussen 'beauty' en 'up' quarks?

27 juli 2015

Het LHCb-experiment in Genève publiceert vandaag in Nature Physics een nieuwe meting van de overgang van een ‘beauty’ quark naar een ‘up’ quark. Eerdere metingen bij andere experimenten hebben raadselachtige verschillen aangetoond in deze overgang, die duiden op onbegrepen effecten. Theoretisch natuurkundigen hebben zelfs gesuggereerd dat dit kan duiden op het bestaan van nieuwe deeltjes. Het nieuwe resultaat van het LHCb-experiment laat vandaag zien dat nieuwe deeltjes niet nodig zijn, terwijl het de verschillen tussen bestaande metingen nog niet verklaart.

De kerndeeltjes om ons heen bestaan uit protonen en neutronen, die zelf weer uit ‘up’ en ‘down’ quarks bestaan. In deeltjesversnellers wordt onderzoek gedaan naar zwaardere varianten van deze quarks. Bij het LHCb-experiment is het verval van het Λb0 baryon onderzocht, dat lijkt op een proton waar een ‘up’ quark is vervangen door een ‘beauty’ quark. Figuur 1 laat zien dat het Λb0 deeltje in dit verval verandert in een proton, Λb0->pμν.  Het verval van de zwaardere quarks, zoals het beauty quark, naar lichtere quarks zoals het ‘up’ quark, is zeldzaam en de kans wordt aangeduid met de parameter |Vub|. Het verval verloopt via de uitzending van een W-deeltje dat zelf weer vervalt naar een muon en een neutrino. Omdat het neutrino de detector ongezien verlaat, was het voor velen een verrassing dat deze meting kon worden gedaan.

De Japanse natuurkundigen Kobayashi en Maskawa hebben in 1972 beschreven dat de zes bekende quarks alleen via de uitwisseling van W-deeltjes van identiteit kunnen veranderen, waarvoor hen in 2008 de Nobelprijs is toegekend. De overgang van het ‘beauty’ quark naar een ‘up’ quark is de meest zeldzame van deze overgangen.  Het Standaardmodel van de elementaire deeltjes doet geen voorspelling over de precieze kans op deze overgang, maar de verschillende metingen moeten wel onderling consistent zijn.  Als de verschillende metingen niet consistent zijn, kan dit duiden op het bestaan van nieuwe processen of deeltjes. In figuur 2 is grafisch weergegeven dat de nieuwe meting van het LHCb-experiment in een klein gebiedje overeenstemt met de metingen van de hoeken ‘beta’ en ‘gamma’, wat het model van Kobayashi en Maskawa bevestigt.  Alleen de "inclusieve" meting van |Vub| uit eerdere metingen, waarbij de som van alle mogelijke ‘beauty’ naar ‘up’ transities werd gemeten, wijkt nog steeds af.  Figuur 3 laat zien dat dit vooralsnog niet met het bestaan van nieuwe deeltjes of krachten kan worden verklaard.

Extra informatie bij dit artikel:
De LHCb publicatie in Nature Physics

Het model van Kobayashi en Maskawa

Voor meer informatie
Afdeling Wetenschapscommunicatie – mail – 020-5925075
Prof. Dr. Marcel Merk, programmaleider LHCb – mail – 020 5925107

Figuren
Figuur 1: Diagram van het verval van een Λb0 baryon naar een proton, waarmee de parameter |Vub| gemeten is bij het LHCb-experiment.
Figuur 2: Het Standaardmodel voorspelt dat verschillende metingen onderling consistent moeten zijn. De nieuwe meting van |Vub| is in overeenstemming met beta en gamma, terwijl de "inclusieve" meting niet klopt.
Figuur 3: Nieuwe deeltjes of processen worden aangeduid met de parameter εR. De nieuwe meting van LHCb laat zien dat deze waarde consistent is met nul, en dat er hier geen aanwijzing is voor het bestaan van extra deeltjes.