20 juli 2018

Wijst de door LHCb gevonden B°→K*°μμ anomalie op het bestaan van een Z’ deeltje?

Afgelopen week werd in het Italiaanse skioord La Thuile het jaarlijkse congres van hoge energiefysica gehouden, de Rencontres de Moriond. Daar werden onder andere de resultaten bekendgemaakt van de LHCb, de ‘Large Hadron Collider beauty‘, één van de vier grote detectoren die verbonden is aan de Large Hadron Collider (LHC) bij Genève – hier, hier en hoppa nog eens hier de presentaties ervan. Dat beauty in de naam slaat op de quarks-variant, die vroeger deze naam droeg, maar die tegenwoordig ‘bottom’ wordt genoemd. Met de LHCb kijken ze naar de deeltjes die ontstaan bij de protonenbotsingen en daarbij kijken ze met name naar b-hadronen, deeltjes met zo’n zwaar type quark erin. Hieronder een overzicht van de LHCb detector.

De LHC heeft afgelopen twee jaar in onderhoud gestaan om ‘m naar hogere botsingsenergieën te tillen (‘Long Stop 1’), dus recente experimenten zijn er met de LHCb niet gedaan. Maar ze hebben wel de gegevens van Run 1, die liep van 23 november 2009 t/m 14 februari 2013, nog eens goed geanalyseerd en daar zijn verrassende resultaten uit naar voren gekomen. Na de eerste analyse van de gegevens uit 2010-2011 was een anomalie vastgesteld, een afwijking die niet kon worden verklaard met het Standaard Model (SM) van de deeltjesfysica. Het betreft een anomalie in het verval van een B-meson in een kaon en twee muonen, die ze vonden bij energieën tussen 4 en 7 GeV (zie afbeelding hieronder) – in oranje de voorspelde waarden volgens SM, vanaf 10 GeV zijn geen goede voorspellingen met SM te geven. The B?K*??

Het verval van de deeltjes kan met behulp van Feynmandiagrammen worden weergegeven en het verval van dit specifieke B-meson geeft een Feynmandiagram dat lijkt op een Pinguïn, zoals je op de afbeelding bovenaan ziet. Men spreek dan ook van Pinguïn verval, een term die begon met een weddenschap die de beroemde natuurkundige John Ellis in 1977 aanging bij een potje darts en die hij verloor.

Het Pinguïn verval. De overgang van het b quark naar het s quark (‘s’ van strange) zou kunnen plaatsvinden via het Z’ boson, weergegeven met de stippellijn.

Zoals gezegd hebben ze onlangs de gegevens1 met nieuwe methodes weer geanalyseerd en de verwachting was dat het hobbeltje uit Run 1 zou verdwijnen. Maar wat bleek: de hobbel bleef bestaan en de statistische betrouwbaarheid ervan was 3,7 sigma – een betrouwbaarheid van 5 sigma is nodig om te spreken van een ontdekking. De sterkte van de hobbel was weliswaar minder ten opzichte van de eerdere analyses, maar de hoeveelheid ruis was ook weer verminderd en netto bleef de hobbel even sterk. Door deze bevestiging is afgelopen week de geruchtenmachine flink op gang gekomen dat de door LHCb gevonden anomalie wellicht wijst op het bestaan van een nieuw elementair deeltje, het zogeheten Z’ boson (spreek uit ‘Zet prime’). Ik zeg hier met nadruk op wellicht, want de betrouwbaarheid is nog te laag om er echt juichend over te zijn én er bestaat de mogelijkheid dat de hobbel gebaseerd is op verkeerde berekeningen, zoals Francis Naukas vermoedt.

Een voorbeeld van een B°→K*°μμ verval, waar ook nog een pion bij wordt geproduceerd.

Natuurkundigen kennen al een Z-boson, een in 1983 ontdekt elektrisch neutraal deeltje dat verantwoordelijk is voor de zwakke wisselwerking, de natuurkracht die zorgt voor radioactief verval van deeltjes. Z’ zou een zware variant zijn van het Z-boson en het zou horen bij een nieuwe, vijfde natuurkracht, een kracht die niet door SM wordt beschreven en die daarom behoort tot de BSM, nieuwe natuurkunde ‘beyond standard model‘. Wellicht is die vijfde natuurkracht Technicolor, waar eerder ze in 2011 bij het Amerikaanse Fermilab al signalen voor hadden gevonden. Verdere metingen in Run 2, waarvan de verwachting is dat in mei dit jaar de eerste protonenbotsingen zullen plaatsvinden, met een hogere botsingsenergie van maar liefst 13 TeV, zullen hopelijk uitwijzen of de anomalie echt is of niet en of ze met de LHCb inderdaad een signaal van een Z’ boson hebben gevonden. Bron:

Noten
  1. de eerste analyse was met 1 inverse femtobarn aan data, de nieuwe analyse heeft drie keer zoveel data gebruikt. []

Reacties

  1. Ik neem aan dat zo’n energieopwekking ook buiten de Aarde ontvangen kan worden, mag hopen dat ergens een satelliet de mogelijkheid heeft dit te kunnen ontvangen, en daarmee test gegevens registreert , misschien voor nieuwe ontdekkingen ^^

  2. De energie wordt opgewekt in de LHC, op de plekken waar de protonen botsen, bij de vier grote detectoren (ATLAS, CMS, ALICE en LHCb). Daarbuiten merk je niets van de energie. Waarom zou een satelliet buiten de aarde iets van de energie moeten ontvangen die opgewekt wordt bij de LHC, onder de grond bij Genève?

  3. LHCb’s eigen nieuwspagina http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/

  4. Heb de vraag al bij Jester gepost.

    Maar een comment bij het artikel op Quanta magazine heeft het over:

    “They appear to have used a two-tailed test since 3.7σ would correspond to 0.01% using a one-tailed test”.

    Is de Sigma waarde cumulatief?

    Mies.

    • Nee, lijkt mij niet dat ze de statistische betrouwbaarheid van de eerdere meting (gebaseerd op 1 fb^-1) en de recente meting (gebaseerd op 3 fb^-1) bij elkaar opgeteld hebben, de betrouwbaarheid wordt onafhankelijk van iedere meting vastgesteld. Geen idee wat ze bij Quanta Magazine met die two-tailed test bedoelen. Hou mij op de hoogte wat Jester antwoord.

  5. Het antwoord van Jester:

    “Well, the comment correctly says that if you integrate one tail of the Gaussian distribution form 3.7 sigma to +infinity, that corresponds to 0.01% of the total area under the curve. So 0.02% corresponds to integrating both tails, from -infinity to -3.7 sigma, and from 3.7 sigma to +infinity.
    Now, what test statistics LHC should be using is a bit above my head. I would think that using a two-tailed test is pretty standard, but Kyle is an expert and probably knows better.

    Het gaat om de oppervlakte van het signaal, onder de Gauss-distributie curve op de grafiek. Schijnbaar geeft een waarde van 3,7 Sigma tot + oneindig, een oppervlak van 0.01% van de totale oppervlakte ónder de Gauss-curve.
    Wat men heeft gedaan is dezelfde waarde aan de negatieve kant er bij op tellen, dus een hobbel van 3.7 Sigma tot
    – oneindig, geeft dezelfde oppervlakte.
    0.01+0.01=0.02

    Mies

    • Ah ja, ze hebben de standaard deviatie van 3,7 sigma naar links én naar rechts bij elkaar opgeteld en dat geeft dan die 0,002%. Hieronder de gaussian distribution met de twee ‘tails’ naar beide kanten toe.
      standaard-deviatie

  6. We zijn er nog niet helemáal klaar mee.

    Check de comment op Resonaances

    “Jester, anonymous who mentioned two-tail:

    That’s rather strange – the convention in ATLAS and CMS is one-tail, e.g. from the Higgs discovery (http://arxiv.org/abs/1207.7235)

    “Both the local and global p-values can be expressed as a corresponding number of standard deviations using the one-sided Gaussian tail convention”

    FWIW, 3.7\sigma with a two-tail convention is about 3.5\sigma with a one-tail convention. This in itself is a minor mistake but it damages my faith in their rigour.

    I’m also worried about the “naive” result that two 2.9\sigma anomalies result in a 3.7\sigma anomaly. How were they added? This is a relatively big anomaly – many theorists might spend time on it. IMHO they should make a comprehensive evaluation that they are fully confident about before presenting it. I don’t think they are following best practice.”

    P values is de “Look Elsewhere”factor.

    Mies

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.