ATLAS begint de charm te zien in het higgsverval

Het in 2012 ontdekte higgsdeeltje geeft in theorie materiedeeltjes hun massa, maar experimenteel is dat tot nog toe alleen bewezen voor de allerzwaarste quarks. Met een nieuwe analyse begint het ATLAS-experiment nu ook zicht te krijgen op de koppeling met een lichter quark, het charm-deeltje.

Voorbeeld van een protonbotsing in de ATLAS-detector waarbij een geproduceerd higgsdeeltje vervalt naar twee c-quarks die elk een jet (blauwe kegel) van deeltjes produceren. Rood zijn de sporen van twee muonen. Credit: ATLAS Collaboration.

Op de LHCP2021 conferentie wordt vandaag bekendgemaakt dat die koppeling niet meer dan 8,5 keer groter kan zijn dan de waarde die in het Standaardmodel voorspelt. “Dit is de eerste directe limiet voor higgs naar charm-quarks die met een experiment is gemeten”, zegt Nikhef-fysicus Tristan Du Pree. “In principe laten we zien dat er geen reusachtige afwijkingen van het Standaardmodel kunnen zijn. Die zouden we nu al gezien hebben.”

Du Pree ontwikkelde met zijn team de afgelopen jaren de techniek waarmee het verval van higgsdeeltjes naar twee charm-quarks wordt bekeken in botsingen van protonen in de LHC-versneller op CERN. Nikhef is de Nederlandse partner in het ATLAS-project.

Onlangs ging bij Du Pree’s analyseteam de champagne open bij de eerste vergelijking van de metingen met de voorspellingen, toen bleek dat de analyses goed werken en een rechtstreekse schatting van de higgskoppeling mogelijk was. Nu wordt het resultaat ook openbaar, via de grootste conferentie voor LHC-fysica LHCP2021.

Sleutel bij het begrijpen van het higgsboson en zijn rol in het Standaardmodel is zijn interactie met materiedeeltjes. Quarks en leptonen bestaan er in drie generaties. Alleen van de zwaarste derde generatie materiedeeltjes (tau-lepton en de top- en bottomquarks) is tot nog toe de invloed van het higgsdeeltje echt gemeten.

Grafiek met de resultaten van de metingen met ATLAS. Credit: ATLAS Collaboration.

In theorie gaat de greep van de higgs op materiedeeltjes netjes gelijk op met hun massa. Maar het zou ook anders kunnen uitpakken. De enige manier om uit te vinden wat de natuur doet is via het bestuderen van deeltjesbotsingen waarbij higgsdeeltjes ontstaan, die daarna snel uit elkaar vallen.

In het nieuwe onderzoek is voor het eerst rechtstreeks gekeken naar de invloed van de higgs op de tweede generatie materiedeeltjes, in het bijzonder het charm-quark. De theorie voorspelt hoe vaak een higgsdeeltje uiteenvalt in twee charm-quarks, die zogeheten jets van energie en deeltjes produceren.

In de experimenten is dat verval naar charm-quarks niet gezien. Dat wil niet zeggen dat het verval er niet is, maar dat er een limiet is aan hoe vaak dat verval optreedt. Daarmee is een schatting te maken van de maximale koppeling van het higgsdeeltje naar charm-quarks.

Die blijkt met de huidige foutenmarge zeker honderdmaal kleiner dan de koppeling van het higgsboson met het zwaarste quark, het top-quark. Dit is in lijn met de theorie van het higgsmechanisme.

Tegelijk konden Du Pree en zijn team laten zien dat de metingen wel voor het eerst het voorspelde ontstaan van zulke W- en Z-bosonen laten zien. Dat is een goede controle op de analyses. “W en Z kennen we al uit de vorige eeuw. Maar de meting laat zien dat onze techniek ook bij de LHC-protonenbotser uitstekend werkt”, zegt promovendus Marko Stamenkovic van Nikhef in een Nikhef PAPERCLIP-video. Hij promoveert later dit jaar op de nieuwe analyses. Bron: Nikhef.

In de eerste microseconde na de oerknal leek het Quark-Gluon Plasma op… water!

Een superheet quark-gluon plasma. Credit: RHIC/FNAL

Onderzoekers van de Universiteit van Kopenhagen zijn door experimenten met de ALICE detector van de Large Hadron Collider bij Genève meer te weten gekomen over de wijze waarop materie zich in de allereerste microseconde na de oerknal gedroeg. Die oerknal is al weer 13,8 miljard jaar geleden gebeurt en omdat de simulaties op de computer om de omstandigheden na de oerknal na te bootsen erg complex zijn heeft men de oerknal in de ALICE detector min of meer nagebootst. Bij ALICE knalt men in de 27 km lange deeltjesversneller loodatomen tegen elkaar aan en dat levert verschrikkelijk hoge temperaturen op, die vergelijkbaar zijn met de situatie zeer kort na de oerknal. Uit eerdere experimenten was al duidelijk geworden dat de materie in de eerste microseconde – zeg 0,000001 seconde – na de oerknal bestaat uit een heet plasma van losse quarks en gluonen, een Quark-Gluon Plasma (QGP). Dat plasma wordt beheerst door de sterke wisselwerking, de kracht tussen de quarks en gluonen, die beschreven wordt door de zogeheten kwantum chromodynamika.

ALICE. Credit: CERN.

Lange tijd dachten de sterrenkundigen en natuurkundigen dat zo’n QGP zich tijdens de oerknal als een gas gedroeg. Maar wat blijkt nu uit de experimenten met ALICE, gedaan door You Zhou en z’n team: dat het QGP zich meer als een vloeistof gedraagt, als… water. Het QGP bleek vloeiend te zijn en het had een gladde, zachte textuur zoals water. Na de QGP fase krijg je dat de quarks zich gaan formeren in groepjes tot hadronen, zoals de protonen en neutronen, die uit drie quarks bestaan. En daaruit ontstaan dan later weer de bekende elementen, zoals waterstof en helium.

Credit: NASA/WMAP/JPL

Vóór de QGP-fase gebeurde overigens ook nog iets interessants. Wellicht denk je dat die tijd tussen de oerknal zelf (t=0) en de start van de QGP-fase zo kort is dat er niets zal zijn gebeurt, maar dan vergis je je, want in die korte fase trad namelijk de zogeheten inflatieperiode op, een zeer kort durende periode, waarin het heelal exponentieel toenam in omvang. Het heelal werd toen 10^26 keer zo groot en koelde met een factor 100.000 af.  Hier het vakartikel over de loodexperimenten bij ALICE, verschenen in Physics Letters B. Bron: Phys.org + Koberlein.

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.

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.

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

Kijk nou, een artikel over het top quark, geschreven door… 5214 auteurs

Credit: ATLAS, CMS Collaborations

Enkele weken geleden verscheen dit artikel:

Combinations of single-top-quark production cross-section measurements and |fLVVtb| determinations at s?=7 and 8 TeV with the ATLAS and CMS experiments

Geen artikel waar je wakker van hoeft te liggen qua nieuwswaarde, maar wel leuk om te vermelden dat er een nieuw record mee is gebroken, namelijk het aantal auteurs van het artikel. Er hebben maar liefst 5214 auteurs meegeschreven aan het artikel, natuurkundigen die betrokken zijn bij de twee grote deletectoren verbonden aan de Large Hadron Collider (LHC), de ATLAS en CMS detectoren. Vorige recordhouder was een artikel van bijna vier jaar terug over het Higgs boson, dat honderd auteurs minder telde. Mmmm, ik ben wel nieuwsgierig hoe zo’n vergadering van auteurs er uit ziet. Ik heb daar trouwens vijf jaar terug al eens over geblogd, toen naar aanleiding van een artikel dat – ahum slechts – 2129 auteurs telde. 🙂 Eh… nog even over die waarneming aan dat top quark, gedaan tijdens Run 1 van de LHC: alle metingen zijn conform het Standaard Model. Dan weet je ‘t. Bron: Francis Naukas.

Komt er een opvolger van de Large Hadron Collider en zo ja, welke wordt het dan?

Credit: CERN

Over de opvolger van de grootste deeltjesversneller ter wereld, de 27 km grote Large Hadron Collider (LHC) van CERN op de grens van Frankrijk en Zwitserland bij Genève, wordt wereldwijd druk nagedacht én verhit gedebatteerd. De LHC zelf is weliswaar niet afgeschreven, nee sterker nog, na het beëindigen van Run 2 eind vorig jaar begon de Long Shutdown 2 (LS2), die tot doel heeft om de energie van de protonenbundels van de LHC te verhogen van 6,5 Tera-eV (TeV) nu naar 7 TeV in 2021. Maar toch liggen er diverse scenario’s op tafel hoe het verder moet als deze LHC, waarmee in 2012 het Higgs boson werd ontdekt – het laatste bouwsteen van het Standaard Model – aan het einde is gekomen van z’n technische levensduur. Hier een overzicht van die scenario’s:

  • Het meest besproken scenario van de afgelopen weken is het voorstel voor een nieuwe 100 km lange deeltjesversneller, de Future Circular Collider (FCC, zie de afbeelding hierboven, waarin ook de LHC te zien is). Die FCC zou in twee fasen gebouwd worden, eerst als ‘Lepton Collider’, waarbij elektronen en positronen met een energie van 90 tot maximaal 365 GeV tegen elkaar knallen. Dat wordt de FCC-ee genoemd en die zou ergens rond 2040 van start kunnen gaan. Daarna wordt ‘ie omgebouwd tot een ‘Hadron Collider’, waarbij protonen tot maximaal 100 TeV tegen elkaar botsen. Dat wordt de FCC-hh, die net als de FCC-ee van die 100 km lange ring gebruik maakt. Kosten: € 5 miljard voor de te bouwen ring, € 4 miljard voor de machines van de FCC-ee. Voor de FCC-hh zou nog eens € 15 miljard op tafel moeten komen – ding dong.
  • Dan is er het plan om gebruik te blijven maken van de LHC. Die wordt nu opgewaardeerd tot de High Luminosity LHC (HL-LHC), waarbij een botsingsenergie van 14 TeV wordt bereikt, maar er liggen ook plannen op de tekentafels voor een High Energy LHC (HE-LHC), die tot 27 TeV zou kunnen komen. Kosten van die laatste variant: pakweg € 6 miljard.
  • Tenslotte is er nog het voorstel voor een ‘Compact Linear Collider’ (CLIC), een 11 km lange rechte buis waar elektronen en positronen doorheen schieten en dan botsen, een maximale botsingsenergie bereikend van 380 GeV.

Een impressie van de CLIC. Credit: CLIC Collaboration

Buiten Europa zijn ze ook druk aan het nadenken over toekomstige deeltjesversnellers, zoals in China waar ze maar liefst twee enorme deeltjesversnellers willen realiseren, de CEPC (100 km en 240 GeV) en de SPPC (100 km en 75 TeV). Ook in Japan wordt gedacht aan een grote deeltjesversneller, de International Linear Collider (ILC), waarbij elektronen en positronen tegen elkaar botsen, aanvankelijk met een energie van 500 GeV, later tot 1000 GeV (1 TeV). In Japan is een discussie gaande over de enorme kosten die gemoeid zijn met de bouw van die ILC. In Europa is vooral een discussie gaande of die opvolger eigenlijk wel nodig is, want is er wel een kans dat die (dure) opvolger nieuwe deeltjes gaat ontdekken, zoals de hypothetische supersymmetrische deeltjes, die mogelijk de donkere materie kunnen verklaren. Afgelopen week is daarover tussen natuurkundigen-bloggers flink gedebatteerd, zoals door Sabine Hossenfelder, die er weinig in gelooft, Tomasso Dorigo, die vindt dat we een opvolger had nodig hebben, en Peter Woit, die daar een beetje tussenin zit. In mei is er een groot symposium in het Spaanse Grenada, waar alle opties besproken worden door natuurkundigen. Wellicht dat we dan te horen krijgen of en welke opvolger van de LHC we gaan krijgen. Het besluit daarover zou dan mei 2020 moeten worden genomen door de top van CERN. Wordt vervolgd! Bron: Francis Naukas

Quark gluon plasma van de oerknal nagebootst en wel in drie verschillende vormen

Credit: Javier Orjuela Koop

Natuurkundigen zijn erin geslaagd om in een deeltjesversneller superhete kleine druppeltjes te maken, die uit een mix van quarks en gluonen bestaan, de elementaire deeltjes waaruit het allervroegste heelal tijdens de oerknal zou hebben bestaan. In het PHENIX experiment van de deeltjesversneller van Brookhaven National Laboratory in Upton (New York, VS) heeft men dat quark gluon plasma kunnen creëeren en dat deden ze door protonen en neutronen met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar te knallen. De druppeltjes met het quark gluon plasma blijkt in drie geometrische vormen voor te komen, cirkelvormig, ellipsvormig en driehoekig (zie de afbeelding). Het plasma lijkt zich volgens de experimenten te gedragen als een vloeistof, een bevestiging van een vermoeden dat men eerder al had. Die eerdere experimenten werden ook in de VS gedaan, in de Brookhaven’s Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) vanaf 2000.

Credit: PHENIX, Nature 2018

Hoe de vorm van de druppels er precies uit ziet hangt af van hetgeen ze tegen elkaar knallen. Als het paren van protonen en neutronen zijn, samen deuteronen genoemd, dan vormen die ellipsvormige druppels, trio’s bestaande uit twee protonen en één neutron – tezamen helium-3 geheten – vormen driehoekige druppels en enkele protonen die tegen elkaar knallen vormen cirkelvormige druppels (zie ook de afbeelding hierboven). Door experimenten als deze wil men meer te weten komen over de eerste milliseconden van het heelal, toen er nog geen atomen waren gevormd. Bron: Universiteit van Colorado, Boulder.