Weer wijzen de metingen van LHCb aan B-mesonen in verval op Nieuwe Natuurkunde

De reconstructie van een B-meson in verval in allerlei andere deeltjes in de LHCb. Credit: CERN/LHCb

Natuurkundigen die met het Large Hadron Collider beauty experiment (LHCb), verbonden aan de Large Hadron Collider van CERN bij Genève, metingen hebben gedaan aan B-mesonen blijven maar anomalieën zien in het verval van die subatomaire deeltjes, wijzend op ‘Nieuwe Natuurkunde’, natuurkunde die niet beschreven kan worden met het Standaard Model, het model van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen. Bij LHCb kijken ze in het bijzonder naar B-mesonen, dat zijn deeltjes die bestaan uit een bottom antiquark en een up (B+), down (B0), strange (B0s) of een charm quark (B+c). Er zijn zes smaken quarks, deze genoemde vijf quarks, plus het allerzwaarste top-quark. Alleen subatomaire deeltjes die opgebouwd zijn uit de twee lichtste quarks (up en down) zijn stabiel, zoals protonen en neutronen, de overige deeltjes zijn kortlevend en vervallen in een fractie van een seconde. Zo ook dat B-meson, dat in de detector van de LHCb kan worden gecreëerd als protonen met hoge snelheid tegen elkaar worden geknald, waarna het snel weer vervalt, in pakweg 1,6 x 10-¹² seconde. Dat negatief geladen zware bottom quark in het meson (dat vroeger het beauty quark werd genoemd, vandaar de verklaring van de ‘b’ in de LHCb) vervalt dan in het minder zware positief geladen charm quark. Tenminste, zo gaat het volgens het Standaard Model (SM). Maar de LHCb neemt ook ‘anomalieën’ waar, afwijzingen van deze SM-regel: heel af en toe vervalt het bottom quark niet in een positief charm quark, maar in een negatief geladen strange quark. Op zich staat SM dat ‘verval-kanaal’ wel toe, maar niet in de wijze waarop de ontstane vervaldeeltjes hun weg banen door de detector.

Schamtische weergave van de opbouw van de LHCb detector. Credit: CERN/LHCb.

Op iedere miljoen B-mesonen in verval wordt één zo’n vreemd verval gezien, afgelopen waarneemperiode zijn dat er zo’n 4500 geweest, het dubbele aantal van wat de LHCb bij een eerdere meting in 2015 waarnam. De hoek waar de deeltjes heenvliegen is namelijk te berekenen volgens SM, maar bij de LHCb wordt een iets andere hoek gemeten. En dat is het vreemde van de hele zaak. Daarnaast heeft men nog een ander vervalkanaal van de B-mesonen bekeken, waarbij ze vervallen in leptonen, een andere soort van deeltjes, zoals de elektronen en muonen. Ook daarbij heeft de LHCb iets gezien wat niet overeenkomt met SM: in plaats van een verhouding 50-50 in de productie van elektronparen – muonparen, zoals SM voorspelt, vond men een verhouding van 60 -40. Kortom, aanwijzingen dat er meer is dan wat het Standaard Model ons zegt over de wereld der elementaire deeltjes en de krachten daartussen… Nieuwe Natuurkunde zoals dat ook wel wordt genoemd. Hard bewijs met een statistische betrouwbaarheid van 5σ is er nog niet. Maar de aanwijzingen blijven zich wel opstapelen, ook na metingen in voorgaande jaren.

Credit: CERN

Mochten de anomalieën juist zijn en wijzen op natuurkunde die niet beschreven is volgens SM dan zijn er twee kandidaten voor de verklaring hiervoor: het zou kunnen dat er een niet elementair deeltje is, het zogeheten Z’ boson, spreek uit ‘Zet Prime’. We kennen al een gewoon Z boson, dat verantwoordelijk is voor de zwakke wisselwerking van materie. Z’ zou dan de zwakke wisselwerking tussen elektronen en muonen doen en die verschillend bedienen daarbij. Als het Z’ boson bestaat zou er ook een nieuw zwaar materiedeeltje moeten bestaan. En dat deeltje zou dan mogelijk een verklaring kunnen zijn voor donkere materie. Naast het Z’ boson is er nog een andere theoretische verklaring voor de waargenomen anomalieën. Het zou namelijk kunnen gaan om een zogeheten leptoquark (LQ), een deeltje dat in staat is een quark in een lepton te veranderen en een lepton in een quark.  In de afbeelding hierboven zie je in het midden een voorbeeld van een verval met een Z’ boson, rechts met een leptoquark. Hier het vakartikel over de laatste metingen met de LHCb. Bron: Quanta Magazine.

Heeft de LHCb opnieuw een aanwijzing gevonden voor Nieuwe Natuurkunde?

Het LHCb experiment in Genève. Credit: LHCb collaboration.

Op 12 april j.l. berichtte ik over een experiment van het Fermi National Laboratory in Batavia, Illinois (VS), waarbij natuurkundigen met behulp van muonen aanwijzingen hadden gevonden dat er wellicht Nieuwe Natuurkunde is, natuurkunde BSM – Beyond Standard Model – natuurkunde die niet beschreven wordt door het Standaard Model, hét gangbare model dat de fundamentele elementaire deeltjes en de natuurkrachten ertussen beschrijft. De Europese collega’s van Fermilab, verbonden aan het Large Hardon Collider beauty experiment (LHCb), lieten deze week tijdens een CERN seminarium weten óók aanwijzingen hebben gevonden voor Nieuwe Natuurkunde. Dat experiment wordt gedaan met de LHCb, een huizengrote detector, dat gekoppeld is aan de LHC, ’s werelds grootste deeltjesversneller van CERN bij Genève. Bij het experiment kijken ze naar botsingen van B mesonen, deeltjes die uit een antiquark en een gewoon quark bestaan – de kleine ‘b’ in de naam LHCb verwijst naar de B mesonen.

Voorbeeld van een B meson dan in de LHCb detector vervalt. Credit: LHCb collaboration

Bij onderzoek in 2011 en 2012 tijdens Run 1 keken ze naar B0 mesonen, die na botsing met elkaar op verschillende manieren kunnen vervallen, in een aangeslagen kaon en een paar elektronen óf muonen. De muonen zijn zwaardere elektronen, met pakweg 200 keer zoveel massa. Afgezien van de massa is er geen verschil tussen elektronen en muonen, iets wat men lepton universaliteit noemt. Op grond daarvan zouden B0 mesonen volgens het dezelfde hoeveelheden paren elektronen en muonen moeten vervallen, behoudens een klein, berekenbaar verschil door het massaverschil. Maar wat kwam uit de experimenten naar voren: er worden minder muonen geproduceerd dan SM voorspelt, iets wat met een statistische betrouwbaarheid van 2,2 tot 2,5 sigma is gemeten – bij 2,5 sigma is er een kans van 1 op 125 dat de metingen ruis zijn.

Credit: LHCb collaboration

Hierboven zie je de uitkomst van de metingen, de zwarte stippen met de onzekerheidsmarges. De blauwe stippellijn is de voorspelling volgens het SM. De grens dat wetenschappers spreken van een ontdekking is 5 sigma, als de kans 1 op 3,7 miljoen is dat de meting ruis is. In plaatst van een verhouding 50-50 in de productie van elektronparen – muonparen vond men een verhouding van 60 -40.

Credit: LHCb collaboration

In de bovenste  twee Feynman grafieken in de afbeelding hierboven zie je zoals het verval van de B0 mesonen volgens SM moet zijn verlopen, een proces dat van links naar rechts verloopt – de geribbelde lijntjes stellen kortlevende, virtuele deeltjes voor. Mocht de tijdens Run 1 gemeten anomalie in de lepton universaliteit echt blijken te zijn (hetgeen nog bevestigd moet worden door recentere metingen uit Run 2, die nog duurt tot 2018) dan zou het kunnen zijn dat in werkelijkheid de twee onderste Feynman grafieken van toepassing zijn. Daarin komen twee deeltjes voor die helemaal niet voorkomen in het SM, een Z’ deeltje (spreek uit Z prime) en een Delta leptoquark, beiden voorbeelden van Nieuwe Natuurkunde. Met name die Z’ is interessant, want die wordt door theoretici in verband gebracht met een vijfde natuurkracht, technicolor genaamd.

Nee, niet deze technicolor. Credit: Technicolor SA/Public Domain Wikipedia.

Drie jaar geleden werd door de LHCb al een andere anomalie gemeten bij een ander B meson, het B+ meson, dat met een statistische betrouwbaarheid van 2,6 sigma anders vervalt dan het SM voorspelt. Vermoedelijk moeten we wachten tot de uitkomsten van Run 2 er zijn, die bij hogere botsingsenergieën werkt dan Run 1, om definitief te kunnen zeggen dat er Nieuwe Natuurkunde is, iets waar de grotere broertjes van de LHCb, de ATLAS en CMS detectoren, tot nu toe niet in geslaagd zijn. Bron: CERN + Gizmodo.

Heeft de LHCb detector afwijkingen van het Standaard Model gezien?

De LHCb detector. Credit: CERN/LHCb Collaboration

Natuurkundigen uit Spanje en Frankrijk zeggen in de gegevens verzameld met de LHCb detector van de Large Hadron Collider (LHC) – ’s werelds grootste deeltjesversneller van het Europese onderzoeksinstituut CERN bij Genéve – aanwijzingen te hebben gezien voor afwijkingen van het Standaard Model. Het gaat om gegevens van het verval van de zogenaamde B-mesonen, die in zeldzame gevallen kunnen vervallen in een kaon (K) en twee muonen, waarna K op haar beurt weer in een K-meson en pion vervalt:

B > K* μ+μ

Vorige week hadden we hier nog het bericht dat het Standaard Model (SM) van de deeltjesfysica aan de hand van de gegevens van de LHCb en collega-detector CMS juist bevestigd was, maar dat ging over het verval van de B-mesonen in twee muonen, zonder dat kaon dus. SM kan het verval wel verklaren, maar in de mate waarin het door de LHCb gezien is onvoldoende, aldus het drietal natuurkundigen Sébastien Descotes-Genon (Universiteit van Parijs), Joaquim Matias en Javier Virto (Vrije Universiteit van Barcelona). In dit wetenschappelijke artikel wijzen ze er op dat de afwijkingen van SM een betrouwbaarheid van 4,5sigma hebben, dicht tegen de grens aan van 5sigma die wetenschappers als hard bewijs hanteren. Afwijkingen van SM worden ook wel omschreven als ‘Nieuwe Natuurkunde’, op z’n Engels als Beyond the Standard Model (BSM). Er zijn vele BSM-modellen, die verklaringen geven voor verschijnselen die niet door SM kunnen worden verklaard, zoals donkere materie – hieronder prachtig weergegeven op een kaart van het ‘Quantum Universum‘.

BSM-modellen (credit: “ILC form one visual communication”)

Je ziet ‘t, we kennen alleen het terrein rechtsonder op de kaart, de rest is fysica incognita. 🙂 De drie natuurkundigen denken het waargenomen verval van het B-meson te kunnen verklaren met een Z’-ijkboson, een zware BSM-variant van het reeds bekend Z-boson, dat in 2011 ook al eens in Tevatron-experimenten opdook. Bron: Physics World.

Wijst BaBar op scheurtjes in het Standaard Model van de deeltjesfysica?

Een electron en positron vervallen in een B bar meson, dat in drie deeltjes uiteenvalt. Credit: Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory

Recent onderzoek van botsende elementaire deeltjes in de BaBar deeltjesversneller van het Amerikaanse SLAC National Accelerator Laboratory laat zien dat er aanwijzingen zijn dat het zogenaamde Standaard Model van de elementaire deeltjes wel eens onvolkomenheden zou kunnen bevatten. In BaBar – ooit opgezet om te achterhalen waarom er meer materie dan antimaterie in het heelal is – botsen electronen met hun antideeltjes, positronen, een botsing die een B meson en een antimaterie B bar meson (B) oplevert. Het gaat om dat laatste deeltje, want dat vervalt op zijn beurt in een D meson, een anti-neutrino en een tau lepton, een proces dat ³B tot D-star-tau-nu² wordt genoemd. OK, klinkt allemaal vrij aBaBarcadabra, maar waar het om gaat is dat het verval van die B bar mesonen in dat trio deeltjes vaker voorkomt dan het Standaard Model voorspelt. Op iedere 100 botsingen zou het trio 1 keer moeten ontstaan, maar met een waarschijnlijkheid van σ3,4 heeft BaBar het vaker gezien. Helemaal waterdicht is het bewijs nog niet, daar is minstens sigma5 voor nodig, maar natuurkundigen denken wel dat BaBar aantoont dat het Standaard Model moet worden herzien. Op basis van de huidige gegevens van BaBar kan één elementair deeltje al worden uitgesloten van bestaan, namelijk het zogenaamde Two Higgs Doublet. Waarvan akte! Meer info over de hints van BaBar in dit wetenschappelijke artikel, dat binnenkort zal worden gepubliceerd in het vakblad Physical Review Letters. Bron: STFC.

Ziet D0 natuurkunde buiten het Standaard Model?

Resultaten van DO. Credit: DO Collaboration.

In het zogenaamde D0 (DZero) experiment van Fermilab’s Tevatron deeltjesversneller hebben wetenschappers sterke aanwijzingen gevonden voor een natuurkundig verschijnsel dat niet kan worden verklaard door het Standaard Model, hét model dat de elementaire deeltjes en de krachten ertussen verklaard. Het draait in de experimenten om de vraag waarom het heelal meer materie bevat dan antimaterie. Er is meer materie dan antimaterie en da’s maar goed ook, want stop beiden bij elkaar en ze annihileren elkaar tot licht, tot losse fotonen. Dat CP-schending plaatsvindt, zoals natuurkundigen de asymmetrie tussen materie en antimaterie noemen, was al lang bekend in sommige zeldzame reacties met neutrale K-mesonen. Maar dat was nooit genoeg om het totale waargenomen verschil te verklaren. De resultaten van D0 zijn van echter een andere orde. D0 schiet protonen en antiprotonen tegen elkaar, hetgeen eerst B-mesonen en vervolgens muonen en antimuonen oplevert, een zwaar soort electronen. Je zou 50% muonen (μ) en 50% antimuonen (-μ) verwachten. Maar wat blijkt: D0 kreeg 50,5% muonen en 49,5% antimuonen, 1% verschil. Dat verschil komt door de zogenaamde neutrale B-mesonen, waar je een ‘gewone’ en een ‘antigewone’ variant van hebt. In de dierenwereld heb je van die dieren die soms mannetje en soms vrouwtje zijn en da’s met die neutrale B-mesonen ook het geval: miljarden keren per seconde oscilleren ze tussen gewoon en antigewoon. Wat blijkt nu: de neutrale B-mesonen gaan liever van antigewoon naar gewoon dan andersom. Het waargenomen effect is wel 50 keer groter dan wat het Standaard Model voorspelt (in de afbeelding: het SM-lijntje is de voorspelling, de twee plusjes zijn de waarnemingen).  De door D0 waargenomen asymmetrie heeft een standaardafwijking van maar liefst 3,2sigma en da’s erg nauwkeurig. Theoretici denken dat er wellicht onbekende elementaire deeltjes of natuurkrachten zijn die verantwoordelijk zijn voor de asymmetrie. Wordt vervolgd! Bron: o.a. A Quantum Diaries Survivor.