CERN-experiment geeft inzicht in waarom er meer materie dan antimaterie in het heelal is

In 1932 ontdekte Carl Anderson in de kosmische straling het deeltje genaamd positron. Het heeft dezelfde massa als het electron, maar een tegengestelde lading. Het was voor het eerst dat antimaterie werd ontdekt. Tijdens de oerknal zouden materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden moeten zijn ontstaan. Maar als materie en antimaterie tegen elkaar botsen dan annihileren ze tot licht (fotonen) en in de extreem dichte omstandigheden van de oerknal zou dat betekenen dat er alleen een heelal vol met licht overblijft. Maar zo’n heelal hebben we gelukkig niet, het heelal bestaat voor het allergrootste gedeelte uit materie en maar een fractie uit antimaterie (los van donkere materie en donkere energie).

Credit: CERN

Natuurkundigen denken dat tijdens de oerknal er iets meer materie dan antimaterie was – pakweg in de verhouding 10.000.000.001 deeltjes materie op 10.000.000.000 deeltjes antimaterie – en na een grootschalig annihilatieproces bleef er alleen wat materie over [1]Jawel, in de verhouding 10.000.000.001 deeltjes materie op 10.000.000.000 deeltjes antimaterie. Dat betekent dat alle materie in het heelal zoals wij dat kennen, alle sterren, sterrenstelsels, gas, … Continue reading. Dat is de reden dat het tegenwoordige heelal vrijwel geheel uit materie bestaat en dat er zo veel straling in het heelal is (straling afkomstig van de annihilaties, nu uitgedund tot de kosmische microgolf-achtergrondstraling, 411 fotonen per cm³). Grote vraag is welk proces dat kleine overschot van materie boven antimaterie veroorzaakte. Daar zijn ze al jaren mee bezig om te beantwoorden.

Credit: Maximilien Brice et al./CERN

Een recent experiment bij CERN in Genève heeft recent meer inzicht gegeven in dat proces. Bij het LHCb experiment (zie foto hierboven) werken ze met neutrale Bº mesonen, die ze in de Large Hadron Collider van CERN produceren door protonen tegen elkaar te laten botsen. Dat gebeurt in de LHCb detector, naast ATLAS, CMS en Alice één van de vier grote detectoren van de LHC. Die neutrale Bº mesonen bestaan uit een quark en een antiquark en ze leven héél kort, waarna ze vervallen in stabiele deeltjes, in dit geval pionen en kaonen. Gedurende hun korte levensduur kunnen ze oscilleren in neutrale anti-Bº mesonen en weer terug in gewone neutrale Bº mesonen, wel drie biljoen keer per seconde. De LHC produceert naast Bº mesonen ook anti-Bº mesonen, die dezelfde oscillatie ondergaan. Als je de geproduceerde hoeveelheid Bº mesonen en anti-Bº mesonen exact telt en daarna kijkt hoeveel er vervallen in stabiele deeltjes zouden de aantal hetzelfde moeten zijn. Maar dat is niet zo, er is een lichte asymmetrie, het aantal vervallen Bº mesonen is iets groter dan het aantal anti-Bº mesonen. Het theoretische kader voor de asymmetrie is al langer bekend, via het zogeheten Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanisme, maar nu is ‘ie ook daadwerkelijk gemeten. Het CKM-mechanisme is niet genoeg om het volledige surplus van materie boven antimaterie tijdens de oerknal te verklaren, maar het geeft de natuurkundigen in ieder geval wel meer inzicht in de processen die hierbij spelen. Hier het vakartikel over de experimenten met de LHCb. Bron: The Conversation.

References[+]

References
1 Jawel, in de verhouding 10.000.000.001 deeltjes materie op 10.000.000.000 deeltjes antimaterie. Dat betekent dat alle materie in het heelal zoals wij dat kennen, alle sterren, sterrenstelsels, gas, stof, planeten, wij hier op aarde, gevormd is uit de materie, die na de annihilatie overbleef.

Fysici van CERN ontwikkelen verplaatsbare antiprotonval ‘BASE-Step’

Bij CERN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, gehuisvest te Genève, wordt fundamenteel natuurkundig onderzoek verricht naar elementaire deeltjes. Voor onderzoek en dagelijkse productie van antiprotonen wordt bij het CERN de ‘antiproton-decelerator’ of kortweg, de ‘AD’ gebruikt. Deze installatie is momenteel de enige in zijn soort waar op dagelijkse basis antimaterie geproduceerd wordt. Het BASE-team van CERN voert dit specifieke onderzoek uit en zit achter verschillende doorbraken op het gebied van antimaterie. Om deze complexe materie beter te verkennen heeft het team de zogenoemde ‘BASE-Step ontwikkeld, een verplaatsbare antiprotonval. Men kan deze installatie verplaatsen naar plekken die gunstiger zijn voor antimaterie productie.

Lees verder

Opgefrist routeplan Europese deeltjesfysica gepubliceerd

Credit: CERN

De CERN-Raad heeft vandaag tijdens een virtuele open zitting de nieuwe strategie bekendgemaakt voor de toekomst van de deeltjesfysica in Europa. De update van 2020 van de Europese strategie voor deeltjesfysica geeft een visie voor de toekomst van het veld zowel op korte als op lange termijn. Met deze visie behoudt Europa een leidende rol in de deeltjesfysica en in de innovatieve technologieën die in dit kader ontwikkeld worden.

De wetenschappelijke prioriteiten zijn het higgsdeeltje in detail bestuderen en de high-energy frontier, de grens van de hoogst haalbare energie, verkennen. Dit zijn twee cruciale en elkaar aanvullende manieren om de open vragen in de deeltjesfysica aan te pakken.

Het document noemt hiertoe als hoogste prioriteit na de Large Hadron Collider (LHC) een “Higgs-fabriek”. Zo’n elektron-positron versneller kan heel precies de eigenschappen van het higgsdeeltje meten dat wetenschappers in 2012 bij de LHC op CERN ontdekten. Bovendien beveelt de strategie aan dat Europa, samen met de wereldwijde gemeenschap, een haalbaarheidsonderzoek uitvoert voor een nieuwe generatie hadron-hadron versneller, met een elektron-positron versneller als een mogelijke eerste fase. Op de langere termijn moet zo’n hadron-hadron versneller botsingen met de hoogst haalbare energieën onderzoeken. De strategie onderstreept daarbij het belang van het opvoeren van de R&D-activiteiten voor geavanceerde versneller-, detector- en computertechnologieën. Dit is een noodzakelijke voorwaarde voor alle toekomstige projecten.

Nikhef-directeur prof. Stan Bentvelsen onderkent het belang van de opgefriste Europese strategie. “LHC is buitengewoon succesvol en heeft ons ontzettend veel geleerd over de wereld van elementaire deeltjes. Met deze strategie heeft deze versneller een uitstekende toekomst; het onderzoek aan het higgsdeeltje en alle andere fascinerende onderwerpen levert nog vele jaren top-wetenschap. Voor de haalbaarheid van de ambitieuze plannen op lange termijn is verdere samenwerking met de Europese labs, ook met Nikhef, cruciaal. Maar ook wereldwijde samenwerking, want zonder mondiale afstemming kom je er ook niet. CERN zal zijn world-leading positie moeten behouden, en deze strategie geeft daarvoor de ruimte.”

De succesvolle voltooiing in het komende decennium van de High-Luminosity LHC, waarvoor momenteel upgrade-werkzaamheden bij CERN worden uitgevoerd, moet een focus van de Europese deeltjesfysica blijven, aldus het document. Nikhef speelt een belangrijke rol bij het moderniseren van de LHC-experimenten, om ze gereed te maken voor de veel intensere deeltjesbundels van de High-Luminosity LHC. De High-Luminosity LHC zal naar verwachting tot 2038 in bedrijf zijn.

Een toekomstige electron-positron versneller, een Higgs-fabriek, zou moeten worden geïmplementeerd binnen 10 jaar na de volledige benutting van de High Luminosity LHC. De daarmee mogelijke precisiemetingen aan het higgsdeeltje zijn een veelbelovende manier om naar fysica te zoeken die verder gaat dan het standaardmodel.

De strategie gaat om meer dan alleen versnellerfysica. Zo blijft Europa neutrino-onderzoek in Japan en de VS steunen. Daarnaast wordt verdere samenwerking met het aangrenzende veld van de astrodeeltjesfysica opgezocht. Dit onderzoeksgebied bestudeert ook de fundamentele bouwstenen van het universum en hun interacties, met name via zwaartekrachtsgolven en de speurtocht naar donkere materie. Ook het belang van een breed programma in de theoretische deeltjesfysica wordt benadrukt, inclusief het ontwikkelen van nieuwe rekenmethoden.

De Large Hadron Collider. Credit: Maximilien Brice/ CERN.

Ambitieuze strategie gedreven door wetenschappelijke prioriteiten

“De strategie wordt vooral gedreven door de wetenschap en presenteert de wetenschappelijke prioriteiten voor het veld”, zegt Ursula Bassler, voorzitter van de CERN-raad. De in de strategie geschetste wetenschappelijke visie moet als richtsnoer dienen voor CERN en een coherent wetenschapsbeleid in Europa mogelijk maken.

“Dit is een zeer ambitieuze strategie, die met een voorzichtige, stapsgewijze aanpak een mooie toekomst schetst voor Europa en voor CERN. We zullen blijven investeren in sterke samenwerkingsprogramma’s tussen CERN en andere onderzoeksinstituten in de lidstaten van CERN en daarbuiten, ‘verklaarde CERN-directeur-generaal Fabiola Gianotti.’ Deze samenwerkingen zijn essentieel voor duurzame wetenschappelijke en technologische vooruitgang en leveren veel voordelen voor de samenleving op. ‘

“De natuurlijke volgende stap is het onderzoeken van de haalbaarheid van de aanbevelingen, terwijl we doorgaan met het volgen van een divers programma van projecten met grote impact”, legt voorzitter van de Europese strategiegroep Halina Abramowicz uit. “Europa moet de deur openhouden voor deelnamen aan andere grote projecten die het veld als geheel zullen dienen, zoals het voorgestelde International Linear Collider-project.” Bron: Nikhef.

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.

CERN: gedrag Higgs-deeltje komt steeds preciezer in beeld

Werkzaamheden bij de ATLAS-detector op CERN. Dubbelklik voor de animatie versie. Credit: CERN.

Het onderzoek naar de exacte eigenschappen van het in 2012 ontdekte Higgsdeeltje begint vruchten af te werpen. Met een nog intensere LHC-versneller kan voor steeds meer deeltjes worden bekeken hoe de Higgs alle andere deeltjes massa geeft. Dat zegt het Europese versnellerlab CERN in Genève in een persverklaring.
Het bericht op de website van het lab vat de nieuwe resultaten samen die twee grote onderzoeksteams van de ATLAS- en CMS-detector afgelopen dagen presenteerden op de EPS-conferentie in Gent, België. ‘Het precisieprogramma van de LHC is in volle gang’, zegt research-directeur Eckhard Elsen van CERN. Voor de metingen werden de gegevens van 2015-2018 voor het eerst in hun geheel bekeken.

Zowel ATLAS als CMS lieten in Gent zien dat ze in staat zijn de koppeling te meten van het Higgs-deeltje met zogenoemde muonen, zware versies van het elektron, en met charm-quarks. Bijzonder aan die metingen is dat ze voor het eerst de relatie van het Higgsdeeltje leggen met de zogeheten tweede generatie in het Standaard Model van de deeltjesfysica. Eerder werd die relatie al wel gezien voor de derde en zwaarste generatie rond de top-quark.

Onderzoekers van Nikhef waren nauw betrokken bij de nieuwe analyses van het Higgs-muonverval bij ATLAS. De LHC-versneller op CERN, een 21 kilometer lange ondergrondse ring waarin protonen worden opgejaagd, wordt momenteel gereviseerd voor nog intensievere bundels. Ook veel experimenten worden ge-upgradet, met inbreng van ondermeer Nikhef. In 2021 komt de versneller weer in bedrijf. Bron: Nikhef.

AI bij de speurtocht naar nieuwe deeltjes én de simulatie van het heelal

Credit: S. He et al./Proceedings of the National Academy of Sciences 2019

Ik las net een artikel in de wetenschapskatern van NRC over kunstmatige intelligentie (met name over de algoritmes die gebruikt worden en de risico’s die daarbij komen kijken) en toen moest ik gelijk denken aan twee nieuwsberichten die ik van de week over AI zag passeren. Even kort die twee berichten op een rijtje:

  • De natuurkundige Seth Moortgat van de Vrije Universiteit van Brussel ontwikkelt nieuwe methodes op basis van AI om elementaire deeltjes in het CERN te onderzoeken. Hij heeft twee innovatieve methodes ontwikkeld – met de eerste methode kunnen verschillende soorten van deze quarks makkelijker geïdentificeerd worden en de tweede methode verhoogt de gevoeligheid van de data-analyse bij het vergelijken van de resultaten, waardoor de theoretische modellen sneller kunnen geverifieerd en mogelijks uitgesloten. Bron: VUB.
  • AI is onlangs ook toegepast om een driedimensionale simulatie van het heelal te maken. Dat deden ze in het kader van het Deep Density Displacement Model, kortweg D³M. Waar ‘gewone’ supercomputers uren over doen, kan dat D³M het in enkele milliseconden doen. En dan ging het daarbij om een kubus van het heelal van 600 miljoen kubieke lichtjaar groot (zie afbeelding bovenaan). De onderzoekers zeggen dat de simulatie met AI zó snel en accuraat is dat ze zelf niet begrijpen hoe ’t precies werkt. 😀 Bron: Simons Foundation.

Verrassende resultaten van het LHCb-experiment van CERN’s Large Hadron Collider

Het LHCb experiment. Credit: CERN/LHcB Collaboration.

Afgelopen week had je in het Italiaanse skioord Rencontres de Moriond het jaarlijkse natuurkundeconferentie en daar werden onder andere de resultaten bekendgemaakt van het LHCb-experiment, dat verbonden is aan CERN’s Large Hadron Collider (LHC), ’s werelds grootste deeltjesversneller vlakbij Genève. Dat LHCb staat voor ‘Large Hadron Collider beauty‘, een naam die verwijst naar het b-quark, het bottom quark, waar de experimenten om draaien. In Moriond kwamen twee verrassende resultaten naar voren, die weliswaar geen voorpaginanieuws waren, maar die toch zeker interessant zijn om te weten en te volgen:

  • ten eerste is er de al decennia oude vraag waarom er meer materie dan antimaterie in het heelal is en voor het antwoord heeft de LHCb een duidelijke aanwijzing gevonden. Omdat alles in het heelal in principe symmetrisch verloopt zou je verwachten dat er na de oerknal net zoveel materie als antimaterie moet zijn ontstaan, maar dat is duidelijk niet het geval – het heelal bestaat voor het allergrootste deel uit materie. Wil je dat verklaren dan moet je af van die symmetrie en moet er een zogeheten CP schending plaatsvinden, een schending van de CP symmetrie. Al in 1964 werd die schending waargenomen in het verval van Kaonen, een soort mesonen die uit twee quarks bestaan, waarvan eentje een ‘strange’ quark. In 2001 zag men zo’n schending in het verval van B-mesonen, ook uit twee quarks bestaande, waarvan eentje een ‘bottom’ quark. En nu dan anno 2019 (op basis van waarnemingen van 2011 t/m 2018) heeft men een derde schending waargenomen en wel in het verval van D0 mesonen, ook uit twee quarks bestaande, waarvan eentje een ‘charm’ quark.

    Credit: CERN/LHcB Collaboration.

    De bottom quark en de strange quark hebben een lading van -1/3 en in die zin waren de schendingen die in 1964 en 2001 werden waargenomen vergelijkbaar. De nu waargenomen CP schending is anders, want het charm quark heeft een lading van 2/3. Het was theoretisch al voorspeld, maar nu dan eindelijk waargenomen.

  • ten tweede heeft men met het LHCb experiment in het verval van het B-meson een afwijking geconstateerd van het Standaardmodel. Dat Standaardmodel bestaat uit quarks en leptonen, die in drie generaties onderverdeeld zijn. Gewone materie is gebouwd uit up- en down-quarks en elektronen. Maar van elk van die deeltjes bestaan ook twee zwaardere varianten. Die drievoudige opbouw is een van de centrale raadsels in de deeltjesfysica. Volgens het Standaardmodel verschillen de generaties alleen in hun massa’s. Maar waarom er uberhaupt drie generaties zijn is niet begrepen. Experimenten als LHCb proberen die zogeheten lepton-universaliteit in detail te testen, om te zien of er echt niet meer verschillen dan alleen de massa zijn. Afwijkingen zouden aanwijzingen naar een verklaring van de deeltjesstructuur kunnen betekenen. Volgens het Standaardmodel zijn de twee vervalroutes van B-deeltjes – één route met twee elektronen als gevolg en eentje met twee muonen als gevolg – even waarschijnlijk en moeten bij metingen van B-verval ongeveer evenveel elektronen als muonen ontstaan. Dat leidt tot een verhouding R van 1. Bij eerdere metingen uit 2008 kwam geen verhouding R van 1 maar van 0,75 +- 0,09. Echt in tegenspraak met het Standaardmodel was dat echter niet, omdat de uitkomst statistisch te zwak was en de afwijking ook gewoon toeval kon zijn. En waar kwam men deze week in Moriond mee aan? Met een nieuwe waarde voor de elektron-muonverhouding van 0,85+-0,06 (zie de grafiek hieronder).

    Credit: CERN/LHcB Collaboration.

    Dat lijkt dichter bij 1, maar de statistici van LHCb stellen ook vast dat het resultaat nog net zo ongewis is als bij de eerdere uitkomst. Wordt vervolgd dus!

Bron: Francis Naukas + NIKHEF

New Scientist organiseert reis naar CERN

Als je deeltjesfysica als een soort tak van sport ziet is deze reis naar CERN misschien wel de Olympische Spelen van de natuurkunde. Het CERN, met zes deeltjesversnellers, heeft wel een aantal records, het is het duurste en grootste door mensen gemaakte bouwwerk op aarde. Dus voor iedereen die hier meer dan gemiddelde interesse in heeft is daarom deze reis die het populair-wetenschappelijk tijdschrift New Scientist begin zomer naar het CERN van 3 tot en met 6 juni a.s. organiseert zowel een bijzondere kans als alternatief reisdoel om dit ‘wonder der techniek’ eens met eigen ogen te aanschouwen. Topwetenschappers in de theoretische en toegepaste fysica geven lezingen, heten de bezoekers welkom, introduceren en begeleiden de bezoeken aan de detectoren zoals de ATLAS en de CMS. Lees verder

Wachten op de oerknal in Genève

Registratie van lood-loodbotsing met de Alice-detector. Credit: Nikhef/CERN

Op deeltjeslab CERN in Genève worden de laatste voorbereidingen getroffen voor experimenten met loodbundels in de grote LHC-versneller. Zodra de bundels van lood-208-kernen stabiel genoeg zijn, zullen die botsingen gaan produceren waarin omstandigheden heersen zoals in het allervroegste heelal voorkwamen, miljoensten van een seconde na de oerknal.

De eerste lood-lood-events worden vrijdag verwacht, zegt de Nederlandse programmaleider van het ALICE-experiment op CERN, prof. Raimond Snellings van voor het observeren van botsende zware ionen, zoals van lood.

Normaal versnelt de LHC-versneller protonen tot hoge energie, die bij botsingen de meeste fundamentele deeltjes en krachten blootleggen. Slechts enkele weken per jaar worden loodatomen versneld in dezelfde 27 kilometer lange cirkelbuis.

De loodbundels, waarvoor in enkele weken tijd nog geen twee gram verdampt lood-208 nodig is, zijn voorlopig de laatste die in de LHC zullen rondgaan. De experimenten duren tot december. De komende twee jaar wordt de versneller verbouwd voor nog hogere energie en bundelintensiteit. Ook de detectoren ondergaan upgrades tijdens de long shutdown, zoals ALICE, maar ook ATLAS en LHCb.

De ALICE detector van de LHC. Credit: Nikhef/LHC/CERN

Bij zware-ionenbotsingen als in ALICE worden de eigenschappen verkend van het quark-gluonplasma dat onder de extreme omstandigheden ontstaat. De kerndeeltjes van de atomen, die uit drietallen quarks en gluonen bestaan, smelten door de immense botsingsenergie van de zware kernen tot een vloeistofachtig plasma. In het plasma heersen temperaturen tot 100 duizend maal hoger dan in het centrum van de zon.

De wetenschappers bij ALICE bestuderen ondermeer hoe het plasma van quarks en gluonen afkoelt en een explosieve storm van materiedeeltjes begint te vormen, zoals ook na de oerknal moet zijn gebeurd. Bij het proces treden ook fase-overgangen op zoals in de alledaagse wereld waterdamp condenseert tot vloeistof.
De detector legt sporen vast van deeltjes als pionen en kaonen die in het inferno ontstaan. De manier waarop zulke deeltjes vrijkomen geeft inzicht in de omstandigheden binnen het ziedende plasma, het zogeheten jet-quenching. In voorgaande jaren werden de eerste aanwijzingen voor fase-overgangen gevonden.

De ALICE-deeltjesdetector bevindt zich op circa 60 meter onder de grond in de baan van de ondergrondse LHC-versneller van CERN, op Frans grondgebied vlakbij het plaatsje St. Genis Pouilly. De installatie weegt meer dan 10 duizend ton en meet 16 bij 16 meter over een lengte van 26 meter. Aan het experiment werken meer dan duizend wetenschappers uit honderd landen mee. Het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef coördineert de Nederlandse inbreng. Bron: Nikhef.

CERN’s LHCb detector blijft een anomalie zien in het B° > K° µ+µ- verval!

Credit: LHCb collaboration

We hadden het er in 2015 al uitgebreid over: de door de LHCb detector, verbonden aan ’s werelds grootste deeltjesdetector de Large Hadron Collider (LHC) van CERN bij Genève, gevonden B° > K° µ+µ- anomalie. Toen zaten de natuurkundigen nog in Run 1, die bij 7 TeV protonen tegen elkaar liet botsen. Nu hebben we Run 2 achter de rug, waarbij de botsingsenergie is opgeschroefd naar 13 TeV, en wat blijkt: de anomalie is er nog steeds en wel met een statistische betrouwbaarheid van 3,4 ? hetgeen er op wijst dat de kans kleiner is van 0,25% dat deze anomalie statistische ruis is. De anomalie bestaat er uit dat er in dat verval van neutrale B mesonen in neutrale kaonen en muonparen een exces is waargenomen van bottom quarks die vervallen in down quarks, een ‘smaakverandering’ die niet vaak voorkomt. Dat specifieke geval zou volgens de waarnemingen vaker voorkomen dan het Standaard Model (SM), hét model dat de elementaire deeljes en de natuurkrachten daartussen beschrijft, voorspelt. En als dat het geval is, als er afwijkingen worden gevonden van SM, dan zijn de rapen gaar, dan gaan overal toeters en bellen klinken, want dan is er mogelijk sprake van ‘Nieuwe Natuurkunde’, natuurkunde BSM, beyond Standard Model.

De LHCb detector. Credit: LHCb collaboration

In dit geval zou die anomalie er op kunnen wijzen dat er een nieuw deeltje is, welllicht een zogeheten Z’ deeltje, spreek het uit als ‘Zet Prime’, een variant van het reeds bekende Z boson, een deeltje dat niet voorspeld is door SM. De hoeveelheid data waar de natuurkundigen nu mee werken is groter dan in 2015: 1,0 /fb (inverse femtobarn, zo heet de eenheid) aan botsingen zijn geanalyseerd bij 7 TeV, 2,0 /fb bij 8 TeV en 1,6 /fb bij 13 TeV. Probleem voor dit zeer specifieke geval van verval van deeltjes is dat niet precies duidelijk is wat de voorspelde waarde van SM hier is, dus lastig om theorie en praktijk hier met elkaar te vergelijken en te zeggen of er echt een anomalie is. Hier voor de geïnteresseerden het vakartikel van het LHCb team over de waargenomen anomalie. Bron: Francis Naukas.