15 juni 2021

Opwinding over Rk en g-2

Een B0 meson vervalt in een K*0 en een electron–positron paar in de LHCb detector. Credit: LHCb Collaboration.

Goh, lekker vage titel Arie, ‘Opwinding over Rk en g-2′. Nee niet gelijk afhaken, het is écht opwindend en ik leg het uit. Het begon gisteravond toen collega blogger Jan Brandt mij tipte dat er op Nederland 2, eh…. NPO 2 heet dat tegenwoordig, een aflevering zou komen van het programma Atlas, waarin aandacht zou worden geschonken aan de mogelijke ontdekking van een vijfde natuurkracht. In die uitzending (hier de link naar de uitzending ervan) vertelde de natuurkundige Jacco de Vries (Universiteit van Maastricht), verbonden aan het LHCb experiment van de Large Hadron Collider van CERN bij Genève, over de recente resultaten aan botsingen met protonen waaruit blijkt dat er hints zijn dat het Standaard Model van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen niet volledig is – ik heb er onlangs ook over geschreven. Het was een leuke uitzending en De Vries heeft op een goede en begrijpelijke wijze uitgelegd wat er precies is waargenomen. Waar het allemaal om draait bij de metingen met LHCb is Rk, de verhouding van de waarschijnlijkheid dat een B-meson (zelf het resultaat van de botsende protonen) vervalt in een kaon plus een elektron-positron paar (zie afbeelding bovenaan) of in een kaon plus een muon-antimuon paar (vergeef mij even de termen van de betreffende deeltjes). Het Standaard Model zegt dat die verhouding 1 moet zijn, iets wat ze ook wel Lepton Universaliteit noemen (elektronen, de zwaardere muonen en de nog zwaardere tau-leptonen zijn drie generaties van leptonen).

Credit: LHCb Collaboration

Wat blijkt nu: LHCb vindt in de gegevens een Rk van 0,846 +/- 0,044, dezelfde waarde die het in 2019 zag, alleen is de onzekerheid met 30% afgenomen, dus het is een verbeterde waarneming (zie afbeelding hierboven, LHCb 9 fb/1 is de laatste meting). De statistische betrouwbaarheid van de metingen is 3,1σ en dat is best wel een soort van psychologische drempel, want boven 3σ klinken waarnemingen als betrouwbaar (bij 3σ is de kans dat de waarnemingen ruis zijn 1 op de 1000). Bewijs dat er iets ontdekt is dat is er nog niet, want daar heb je 5σ voor nodig (dat wil zeggen dat de kans dat de waarnemingen ruis zijn 1 op 3,5 miljoen zijn). Een waarde van Rk=0,846 wijst op een schending van de genoemde Lepton Universaliteit. En dat zou er dan weer op wijzen dat het Standaard Model onvolledig is, dat er sprake moet zijn van natuurkunde BSM, beyond Standard Model. Het Standaard Model kent vier natuurkrachten, te weten de zwaartekracht, elektromagnetische, sterke en zwakke wisselwerking. Die vier krachten worden wiskundig uitgedrukt in een zogeheten Lagrangiaan, welke je hieronder ziet:

Credit: Flip Tanedo/CERN

Dit is de korte versie van de SM-Lagrangiaan, niet alleen te vinden in tekstboeken en koffiemokken, maar ook op T-shirts (in de voetnoot van deze Astroblog is de volledige SM-Lagrangiaan te vinden). Schending van de Lepton Universaliteit kan veroorzaakt worden doordat er nieuwe elementaire deeltjes zijn, die SM niet kent. Dat kunnen Z’ (spreek uit: Z prime) bosonen zijn of leptoquarks. Het bestaan van die deeltjes zou ook betekenen dat er een vijfde natuurkracht is, die naast de vier bekende natuurkrachten bestaat. Eén zo’n hypothetische natuurkracht is Technicolor. Middels een extra term aan de SM-Lagrangiaan zou die kracht dan toegevoegd kunnen worden, zoals deze:

Credit: Jester

OK, dat is inderdaad opwindend en als het allemaal klopt voor 100% Nobelprijswaardig, zoals ook De Vries gisteravond in Atlas zei. Alleen is die 3,1σ onvoldoende betrouwbaar, minstens 5σ is nodig én een waarneming door een onafhankelijk instrument. Bij de LHC gaan ze ergens dit jaar starten met Run 3 en de data die dat oplevert zou die 5σ moeten kunnen opleveren. En die onafhankelijke waarneming zou gedaan kunnen worden door Belle-II in Japan. Maar daar worden de resultaten pas over een jaar of drie á vier van verwacht. Moeten we dus zo lang wachten tot we weten of natuurkunde BSM daadwerkelijk bestaat? Nee gelukkig niet, wellicht dat we het al te horen krijgen… over zes dagen! Want op woensdag 7 april staat dit te gebeuren:

Jawel, de bekendmaking van de resultaten van het Muon g-2 experiment, waar ik eerder over rapporteerde. Ook dat experiment zou erop kunnen wijzen dat er natuurkunde BSM is, dat er iets is wat de anomalie in het magnetische moment van het muon veroorzaakt, de 200 keer zo zware variant van het elektron, hetzelfde deeltje waar ook de LHCb naar kijkt. Bron: Résonaances.

Speak Your Mind

*

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