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.

Nieuwe resultaten LHCb experiment wijzen mogelijk op Nieuwe Fysica!

Impressie van het verval van een b-quark in de LHCb detector. Credit: Imperial College London

Deze week gepubliceerde resultaten van het LHCb experiment van de Large Hadron Collider, ’s werelds grootste deeltjesversneller van CERN bij Genève, laten zien dat er een grote kans is dat het Standaard Model van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen niet volledig is. Met andere woorden: er is sprake van aanwijzingen voor nieuwe deeltjes of natuurkrachten die we nog helemaal niet kennen. Bij het LHCb experiment wordt met name gekeken naar bottum quarks, één van de zes soorten van quarks, de bouwstenen van protonen, neutronen en mesonen (vroeger werden ze beauty quarks genoemd). Als b-quarks in de LHC in de zogeheten B-mesonen worden geproduceerd zouden ze in elektronen en de zwaardere variant daarvan, de muonen, moeten vervallen en hoe vaak dat precies gebeurt voorspelt het genoemde Standaard Model (SM) . Maar nou komt het: de met LHCb gemeten waarden van het verval van de B-mesonen wijkt af van de SM voorspellingen. Natuurkundigen van Imperial College London hebben de gegevens van LHCb bekeken en de resultaten van die analyse hebben ze hier gepubliceerd én besproken op de Moriond Electroweak Physics conference. Het blijkt dat met een betrouwbaarheid van 3,1 sigma de resultaten wijzen op het bestaan van Nieuwe Natuurkunde, dat wil zeggen dat de kans 1 op 1000 is dat het resultaat statistische ruis is, rijp voor de prullenbak. Dat lijkt veel, maar natuurkundigen hanteren streng als ze zijn een grens van 5 sigma, dat wil zeggen dat de kans op ruis slechts 1 op 3,5 miljoen mag zijn. Pas dan spreken ze van echt bewijs. Nog even geduld dus voor dat bewijs.

Het LHCb experiment. Credit: LHCb Collaboration.

Als er echt sprake is van Nieuwe Natuurkunde zou dat kunnen betekenen dat er exotische deeltjes bestaan zoals Z’ (spreek uit Z prime) bosonen en leptoquarks – we hadden het er in 2017 al over. Met de Belle II detector in Japan hopen ze de LHCb resultaten komende tijd te kunnen bevestigen. Hier het vakartikel over de resultaten van LHCb, verschenen op de Arxiv. Bron: Phys.org.

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.

Wordt donkere materie gevormd door het d*(2380) hexaquark, een deeltje dat al in 2014 is ontdekt?

Dat donkere materie bestaat weten we dankzij z’n interactie via de zwaartekracht met gewone materie. Credit: Universiteit van York.

Indirecte bewijzen voor het bestaan van donkere materie zijn er genoeg, maar directe detectie ervan is nog steeds niet gelukt, ondanks de wereldwijde pogingen daartoe, die al jaren gaande zijn. Zo’n 85% van alle materie in het heelal zou uit donkere materie bestaan, maar de grote vraag is: wat is het voor geheimzinnig deeltje, dat zo ongrijpbaar is?

Twee wetenschappers van de Universiteit van York, Mikhail Bashkanov en Daniel Watts, denken nu dat ze het deeltje gevonden hebben en dat we het al zes jaar kennen! Het gaat om het deeltje genaamd D*(2380) – lees D Star 2380), een zogeheten hexaquark, een deeltje dat bestaat uit zes quarks. Hij werd al in 2014 ontdekt met de Cooler Synchrotron in Julich in Duitsland, een resonantie die tevoorschijn kwam bij botsingen van protonen en neutronen bij een energie van 2,38 GeV (zie grafiek hieronder).

Protonen en neutronen bestaan ieder uit drie quarks, een oneven aantal dat hun tot de baryonen laat behoren (deeltjes met een even aantal quarks, zoals mesonen, behoren tot de bosonen). Zou je protonen en neutronen kunnen combineren dan krijg je een deeltje van zes quarks en dan noemt men een hexaquark. En dat lukte om te maken, alleen was het een zeer kortdurende resonantie, dat verviel in een deuteron en twee pionen. Het bestaan van D* was al in 1964 geopperd door Freeman Dyson, de natuurkundige die onlangs is overleden.

De met COSY waargenomen D* resonantie. Credit: COSY Collaboration.

Het York-tweetal kwam onlangs met een vakartikel, waarin ze zeggen dat het D* hexaquark weliswaar bekend is als een deeltje dat slechts kort leeft, maar dat het kort na de oerknal gegroepeerd kan zijn in de vorm van een zogeheten Bose-Einstein condensaat (BEC’s), een vorm die ook wel de vijfde aggregatietoestand wordt genoemd (naast vast, vloeibaar, gas en plasma). In die vorm kunnen D* hexaquarks, die met hun even aantal quarks bosonen zijn, lang bestaan. De berekeningen van Bashkanov en Watts laten volgens hen zien dat de hoeveelheid D* hexaquarks die kort na de oerknal geproduceerd is voldoende is om de donkere materie in het heelal te vormen. Met deze verklaring is het niet nodig om over te gaan tot nieuwe natuurkunde buiten het Standaardmodel, want de D* hexaquarks voldoen aan dat Standaardmodel, dat een beschrijving geeft van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen.

Zes quarks bij elkaar en je hebt een hexaquark.

Is het echt een oplossing?
Grote vraag is natuurlijk of D* (2380) hexaquarks daadwerkelijk de verklaring zijn voor donkere materie, dat 85% van alle materie in het heelal bestaat uit gebieden van BEC’s met dit exotische deeltje? Daar moeten we denk ik toch een tikkeltje terughoudend in zijn. De vraag is bijvoorbeeld of een deeltje, dat uit de waarnemingen naar voren komt als een zeer onstabiel deeltje, dat in minder dan een seconde uiteenvalt (ca. 10^-23s), daadwerkelijk voor kan komen in een stabiele vorm als BEC. Hypothetisch mag dat dan wel zo zijn, maar het is nog nooit waargenomen. Verder zijn hexaquarks net als het proton, waaruit het is voortgekomen, een geladen deeltje (protonen zijn positief geladen, neutronen neutraal). Dat heeft een elektron nodig om elektrisch neutraal te zijn, maar dan heb je het al helemaal niet meer over donkere materie, want die reageert niet via de EM-wisselwerking. BEC’s van hexaquarks die 85% van de massa van het heelal vormen zouden dan veel gemakkelijker zichtbaar moeten zijn. Bovendien bestaan er naast hexaquarks ook andere exotische vormen van quarks, zoals tetraquarks (vier quarks) en pentaquarks (vijf quarks). De tetraquarks (even aantal quarks) zouden dan toch ook BEC’s kunnen vormen? Bron: Universiteit van York + Darkmatterenergy + The Reference Frame.

[Update 15 maart 09.15 uur] Ethan Siegel van Starts with a Bang is in een recente blog ook ingegaan op de theorie van D* hexaquarks als mogelijkheid om donkere materie te vormen. Het klopt dat D* hexaquarks, die normaal gesproken zeer kortlevend zijn (t ca. 10^-23s), langlevend kunnen worden in een BEC. Wat dat betreft lijken ze op neutronen. Samen met protonen in een atoomkern kunnen neutronen oneindig lang bestaan, maar zodra ze vrij zijn vervallen neutronen ze. Maar een neutronenster zit tsjokvol met vrije neutronen, daarin kunnen ze weer wel lang bestaan,dat komt door de gravitationele en nucleaire bindingsenergie van de neutronen. Ook bij BEC’s kunnen D* hexaquarks lang leven, als hun bindingsenergie minstens 10% van de totale restmassa van D’s is. Echter in de extreme toestand van kort na de oerknal was de straling van fotonen en neutrino’s zo hoog dat alle hypothetische BEC’s compleet uit elkaar vallen. Die straling is veel intenser dan de bindingsenergie van de BEC’s en daarom kunnen die simpelweg niet bestaan in het vroege heelal. En als de temperatuur van het heelal door de expansie zover gedaald is dat de straling minder is geworden mist de toestand om van D hexaquarks BEC’s te maken. Bron: Starts with a Bang.

Natuurkundige Murray Gell-Mann overleden

Murray Gell-Mann ergens in 1953 of 1954. Credit: University of Chicago Library, Special Collections Research Center

Gisteren is de Amerikaanse natuurkundige Murray Gell-Mann (1929-2019) op 89-jarige leeftijd overleden in zijn woonplaats Santa Fe (VS). In de jaren vijftig hield hij zich onder andere bezig met mesonen, subatomaire deeltjes zoals het pion (?-meson) en kaon (K-meson). Er waren acht mesonen bekend en die kon hij allemaal in een octet kon onderbrengen, waarbij de isospin I3, de lading Q en vreemdheid S als coördinaten werden gebruikt (zie hieronder). Hij noemde zijn classificatiemethode The Eightfold Way naar Boeddha’s achtvoudige pad van verlichting.

Credit: Trassiorf – Oublic Domain

Later kon hij ook de baryonen (deeltjes met spin 1/2) in zo’n zelfde octet onderbrengen. Daarna werd zijn classificatiemethode algemeen geaccepteerd en in 1969 kreeg hij er de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor, óók voor het door hem ontwikkelde quark-model (zie hieronder). Gell-Manns ontdekking vormde de opmaat tot het huidige standaardmodel van de deeltjesfysica.

In 1964 kwam Gell-Mann met het idee voor het bestaan van quarks – die hij als de bouwstenen van hadronen (waaronder protonen en neutronen) veronderstelde. De term quark ontleende hij aan James Joyce’ roman “Finnegans wake” (1939), die de zin “Three quarks for Muster Mark” bevat. Later bleken quarks inderdaad te bestaan en wel in zes smaken van drie families, elke familie met twee quarks. In 1972 kwam Gell-Mann met zijn theorie van de kwantumchromodynamica (QCD), de natuurkundige theorie die de wisselwerking tussen quarks en gluonen beschrijft. Het vormt de basis van de sterke kernkracht, de elementaire kracht die verantwoordelijk is voor het samenbinden van quarks en anti-quarks door middel van die gluonen, zodat deze de verschillende hadronen en mesonen kunnen vormen.

Gell-Mann was met deze veelal baanbrekende ontdekkingen een zeer verdienstelijk natuurkundige. Murray Gell-Mann, rest in peace! Bron: Wiki.

LHC heeft eindelijk het meest favoriete verval van Higgs bosonen waargenomen

Credit: CERN/ATLAS Collaboration

Vandaag hebben natuurkundigen van de twee grote detectoren ATLAS en CMS verbonden aan de Large Hadron Collider, ’s werelds grootste deeltjesversneller van CERN bij Genève in Zwitserland, bekendgemaakt dat men met die twee detectoren het meest favoriete vervalkanaal van het Higgs boson heeft waargenomen. Volgens het Standaard Model (SM) van de elementaire deeltjes en natuurkrachten vervalt een Higgs boson in 60% van de gevallen na zeer korte tijd in een paar bottom quarks, het één na zwaarste quark dat er bestaat, na het zware top quark. Het Higgs boson werd zes jaar geleden ontdekt met de LHC, maar nu pas heeft men genoeg waarnemingen van zo’n verval gezien om te kunnen zeggen dat het ook daadwerkelijk gebeurt – de statistische betrouwbaarheid van de waarnemingen is 5,4?. In de 27 km lange LHC worden protonen tot bijna de lichtsnelheid versneld en op de plekken van de detectoren komen ze met elkaar in botsing.

Credit: CERN/CMS Collaboration

Dat leidt tot de productie van Higgs bosonen, die na zeer korte tijd weer vervallen. Op de bovenste afbeelding zie je zo’n verval door ATLAS vastgelegd, waarbij een Higgs boson vervalt in twee bottom quarks en een begeleidend W boson in een ? (muon) en ? (neutrino) vervalt. De afbeelding eronder toont een verval zoals waargenomen door CMS, waarbij de protonenbotsing (pp) leidt tot het ontstaan van een Z boson en Higgs boson (H), waarbij het Z vervalt in een positron-electron paar en H in een paar bottom quarks. Grote vraag is natuurlijk waarom het zes jaar heeft geduurd voordat dit vervalkanaal, dat zoals gezegd het meest favoriete kanaal van het Higgs boson is om in te vervallen, is waargenomen. De reden is dat er heel veel manieren zijn om Higgs bosonen bij protonenbotsingen te produceren en die dan weer in bottom quarks te laten vervallen. Door die overvloed aan manieren is het erg lastig om het signaal boven de achtergrondruis uit te laten komen. Een veel minder vaak voorkomend vervalkanaal, zoals het verval in paren fotonen, is daarom veel vaker waargenomen.

Het Higgs deeltje is een manifestatie van het alomaanwezige Higgs veld. Dat veld geeft niet alleen massa aan de elementaire deeltjes, maar in theorie zou het ook kunnen reageren op donkere materie, iets dat buiten SM valt. Door onderzoek zoals nu gebeurt door ATLAS en CMS hoopt men daar meer te weten over te komen. Bron: CERN.

De druk in een proton is hoger dan de druk in het binnenste van een neutronenster

Credit: V. D. Burkert, L. Elouadrhiri, F. X. Girod

Protonen zijn de belangrijkste bouwstenen van alle elementen in het heelal. Ze werden in 1919 ontdekt door Ernest Rutherford, maar pas nu zijn natuurkundigen erin geslaagd om de druk in een proton te meten. Gebruikmakend van de Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) zijn onderzoekers van Jefferson Lab in Virginia (VS) protonen gaan meten en daaruit blijkt dat de drie quarks, waaruit ieder proton bestaat, te maken hebben met een druk die kan oplopen tot 10^35 pascal. Da’s een gigantische druk, die niet alleen 10^30 keer zo groot is als de luchtdruk op zeeniveau, maar die ook nog eens tien keer hoger is dan de druk in de kern van neutronensterren. In die kern van de extreem compacte objecten kan de druk volgens berekeningen oplopen tot maximaal 10^34 Pa. Wat de CEBAF-onderzoekers deden was protonen in waterstof bestoken met elektronen, waarbij de elektronen reageerden met de drie ‘valentie-quarks’ in het proton via de zogeheten ‘deeply virtual Compton scattering’ (DVCS – zie de afbeelding hieronder), waarbij ook fotonen worden geproduceerd. Dat leverde vervolgens de zogeheten ‘gravitational form factors’ – geïntroduceerd door Kobzarev en Okun in 1962 (!) – op en op basis daarvan was men in staat om de druk te berekenen. Binnen een bol met een straal van ongeveer 0,6 femtometer blijkt die druk gemiddeld 10^35 Pa te zijn.

Credit: H.?S. Jo, F.?X. Girod, V.?D. Burker.

Dichtbij het centrum van een proton is de druk afstotend, zoals je ook in de afbeelding bovenaan kunt zien, maar op een gegeven moment wordt ‘ie aantrekkend. Dat zorgt er voor dat de quarks niet kunnen ontsnappen uit het proton – losse quarks komen in de vrije natuur niet voor, da’s de zogeheten ‘quark confinement’. Het vakartikel over de metingen aan het proton is onlangs gepubliceerd in Nature. Bron: Gizmodo + Francis Naukas.

Waarom zijn er drie smaken van elementaire deeltjes?

Credit: Artwork by Sandbox Studio, Chicago

Het Standaard Model (SM) van de elementaire deeltjes en krachten tussen die deeltjes kent drie zogeheten smaken of generaties van deeltjes. Binnen SM wordt onderscheid gemaakt tussen de fermionen, de deeltjes die materie vormen, en bosonen, de deeltjes die de krachten tussen de fermionen dragen. De fermionen bestaan op hun beurt weer uit zes quarks (up, down, charm, strange, bottom en top) en zes leptonen (elektronen, muonen, tau, elektron-neutrino, muon-neutrino en tau-neutrino). De fermionen kennen drie smaken of generaties en de tweede en derde smaak zijn een exacte kopie van de eerste generatie, behalve dat ze meer massa hebben.

Grote vraag van de natuurkundigen is waarom er drie smaken zijn? Of zijn er wellicht meer smaken, generaties elementaire deeltjes die we nog niet ontdekt hebben? In theorie zou een heelal goed kunnen bestaan met alleen de eerste generatie van deeltjes, de u- en d-quarks, de elektronen en elektron-neutrino’s, al deze deeltjes zijn in theorie stabiel. Met grote deeltjesversneller zoals de Large Hadron Collider (LHC) van CERN bij Genève doen natuurkundigen onderzoek aan de elementaire deeltjes en daarbij proberen ze onder andere een oplossing te zoeken voor het smaak-probleem, zoals de vraag ook wel wordt genoemd.

Dubbelklik om een interactieve voorstelling van het Standaard model te openen. Credit: Artwork by Sandbox Studio, Chicago.

Theoretici hebben daar al verschillende ideeën voor geopperd, maar echte aanwijzingen daarvoor zijn nog niet gevonden. Zo denken sommigen dat alle genoemde deeltjes niet echt elementair zijn, maar weer uit kleinere deeltjes bestaan, de zogeheten preonen. Een ander voorstel luidt dat er eigenlijk maar één generatie deeltjes is, dat in een hogere ruimtedimensie voorkomt. De andere generaties zijn deze ene generatie, alleen dan bekeken vanuit een ander standpunt.

Een ander idee is dat er meer generaties zijn dan de drie nu bekende generaties. Tussen de drie generaties is een groot massa-verschil – het tau-elektron is 3600 keer zwaarder dan het elektron en het top-quark is maar liefst 100.000 keer zo zwaar als het up-quark en 175 keer zwaarder dan een proton – dus een vierde generatie moet heel erg zwaar zijn. Alle generaties behalve de eerste zijn niet stabiel, dus alle hogere-generatiedeeltjes vervallen in korte tijd in lagere-generatiedeeltjes, tot de deeltjes van de eerste generatie worden bereikt. De quarks van de vierde generatie worden t’ en b’ genoemd (dus top prime en bottom prime).

Veel onderzoek is er voor het zwaarste quark, het top quark. Credit: Artwork by Sandbox Studio, Chicago

Veel onderzoek ziet het top quark als een cruciaal deeltje. Het is het enige quark dat direct zichtbaar is in de detectoren zoals CMS en ATLAS van de LHC, het is nauw verbonden aan het Higgs boson, het deeltje dat de elementaire deeltjes hun massa geeft, én het is het deeltje dat ons inzicht geeft in de vraag of ons heelal stabiel is of niet. De vraag of er drie of meer generaties zijn is ook van belang voor de speurtocht naar supersymmetrische deeltjes, SUSY-deeltjes. Als die bestaan moeten daar ook drie generaties van bestaan, alleen is daar de massa-volgorde precies andersom: het supersymmetrische top-quark (‘stop’) is niet het zwaarste quark, maar juist het allerlichtste. Symmetry Magazine + Fermilab + Symmetry Magazine + Science Daily + Particle Bites.

Kunnen protonen vervallen? Het is in ieder geval nog nooit waargenomen

Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Reidar Hahn / Symmetry Magazine.

Het is een simpele vraag, maar decennia van onderzoek door natuurkundigen heeft er nog steeds geen antwoord op kunnen geven: kunnen protonen vervallen? Kunnen ze, net zoals met losse neutronen gebeurt, in een radioactief verval in lichtere deeltjes vervallen? Haal een neutron uit z’n beschermde omgeving van een atoomkern en hij zal na pakweg 14 minuten en 42 seconden door de zwakke wisselwerking vervallen in een proton, een elektron en een antineutrino. Maar kan een los proton ook vervallen, heeft ‘ie ook een halfwaardetijd? Tot nu toe is daar uit alle experimenten die gedaan zijn niets van gebleken, het proton lijkt een stabiel deeltje te zijn, dat letterlijk het eeuwige leven heeft. Op basis van die experimenten heeft men wel een minimum leeftijd berekend en die is – schrik niet – 1,29 x 10^34 jaar. Ter vergelijking: het heelal is 13,8 miljard jaar oud, da’s 1,38 x 10^10 jaar.

Voorspellingen voor de leeftijud van het proton.

En toch zijn er modellen van deeltjes en natuurkrachten, die voorspellen dat een proton kan vervallen, met name de zogeheten GUT’s, de grand unified theories. Die modellen gaan er van uit dat de vier huidige natuurkrachten – de sterke, zwakke en elektromagnetische wisselwerking en de zwaartekracht – tijdens de oerknal verenigd waren in één allesomvattende natuurkracht. Hierboven zie je enkele theoretische waarden voor de leeftijd volgens enkele GUT’s en ook het bereik van enkele experimenten. Volgens sommige van die GUT’s zou een proton kunnen vervallen in een pion en een positron, waarop het pion op haar beurt weer in twee fotonen vervalt, hetgeen door zogeheten Tsjerenkovstraling gedetecteerd kan worden:

Protonen bestaan overigens uit twee up quarks en een down quark, dus het werkelijke verval ziet er iets ingewikkelder uit dan hierboven geschetst, maar het gaat om het idee. De hoop om het verval van een proton waar te nemen is allerminst geweken, want overal in de wereld zijn natuurkundigen bezig om als eerste te zien hoe een proton vervalt, onder andere bij het Super-Kamiokande experiment in Japan, waar ze 50.000 ton water in een groot vat in een ondergrondse mijn hebben gevuld om daar niet alleen naar neutrino’s te kijken, maar ook naar mogelijk protonverval. En de nog te bouwen Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), in een voormalige goudmijn in South Dakota, gaat er ook naar op zoek. Je zou denken dat die leeftijd van protonen het onmogelijk maakt om te detecteren, maar als je maar genoeg protonen bij elkaar hebt (en in water zitten heel veel protonen) dan is de kans groot dat er altijd wel eentje vervalt, per slot van rekening is het een gemiddelde leeftijd. Met DUNE willen ze overigens ook live de geboorte van een zwart gat gaan volgen, dus de verwachtingen daarvan zijn erg hoog. We houden ’t voor jullie in de gaten. 🙂  Bron: Symmetry Magazine + Wiki + Hyper-Kamiokande.

De meeste massa van protonen en neutronen komt niet van Higgs-bosonen maar van… pionen en gluonen

Credit: CERN

Over de in 2012 met de Large Hadron Collider ontdekte Higgs bosonen wordt verteld dat ze elementaire deeltjes hun massa geven – da’s op zich juist – en dat ze daarmee ook zorgen voor de massa van protonen en neutronen – da’s onjuist. Protonen en neutronen zijn samengestelde deeltjes, geen elementaire deeltjes. Ze bestaan uit drie quarks, die voor zover we weten wel elementair zijn, protonen bestaan uit één d-quark en twee u-quarks, neutronen uit twee d-quarks en één u-quark. Dat d- en u-quarks slaat op de soorten quarks, waarvan er zes zijn: de lichtste quarks, up (u) en down (d), de op een na lichtste quarks – charm (c) en strange (s) en dan tenslotte de zware top- (t) en bottom-quarks (b). Ja, de quarks krijgen hun massa inderdaad door de Higgs bosonen via het zogeheten Higgs mechanisme – hierbij aangetekend dat we het dan hebben over de ‘valentie quarks’, de echte quarks en niet de wolk van virtuele quarks en antiquarks, die daar omheen zoemen en die continue opploppen en weer verdwijnen.

De drie valentie quarks van protonen en neutronen (credit: Matt Strassler).

OK, protonen en neutronen bestaan uit drie quarks, die hun massa van het Higgs boson krijgen, dan is de massa van de samengestelde protonen en neutronen toch ook afkomstig van de Higgs bosonen, ook al is het indirect? Nee, dat laatste is niet het geval. De massa van protonen en neutronen is namelijk zwaarder dan de optelsom van de afzonderlijke quarks waaruit ze bestaan. Het is heel ingewikkeld om de massa van afzonderlijke quarks te bepalen, omdat ze altijd opgesloten zitten samen met anderen en nooit los in de vrije natuur voorkomen, een verschijnsel dat confinement wordt genoemd. Al in 1968 werd met de SLAC detector waargenomen dat protonen samengesteld moeten zijn, maar het kost de natuurkundigen nog altijd moeite om de massa exact te bepalen. De laatste metingen geven de volgende waarden aan voor de u- en d-quarks:

mu = 2,16 MeV md = 4,68 MeV

De massa van protonen en neutronen is nauwkeuriger bepaald: protonen hebben een massa van 938,272 MeV, neutronen zijn met 939,565 MeV iets zwaarder. Maar wacht even, een proton bestaat toch uit één d-quark en twee u-quarks? Dan moet z’n massa toch 4,68 + 2,16 + 2,16 = 9 MeV zijn en niet ruim 938 MeV zoals hierboven staat? En een neutron zou met twee d-quarks en één u-quark toch 11,3 MeV massa moeten hebben en niet ruim 939 MeV. Juist ja, slechts een klein gedeelte van de massa van de protonen en neutronen wordt gevormd door de massa van de valentie quarks en daarmee door de Higgs bosonen.

Credit: Wikipedia

Maar waar komt dan de rest vandaan, de overige 99% van hun massa? Die komt van gluonen en pionen – gluonen die zorgen voor een continue uitwisseling van de sterke wisselwerking tussen de quarks, de pionen die zorgen voor de uitwisseling van de kernkracht, ook wel de nucleaire kracht genoemd, tussen de protonen en neutronen (die ook wel nucleonen worden genoemd, zie afbeelding hierboven). Beide interacties leveren een zogeheten ‘achtergrond condensaat’ of ‘vacuum expectation value‘ (VEV) op en dat vormt de rest van de massa van protonen en neutronen. Met name dat laatste deeltje, het pion of pi meson, is een deeltje dat tamelijk onderbelicht is in de media. Het komt in drie variaties voor, het positief geladen pion (?+), het negatief geladen pion (?-) en het neutrale pion (?). Het is een kortlevend deeltje, al in 1947 ontdekt, dat gemiddeld na 26 nanoseconde (2.6×10-8 seconden) al vervalt.

Schets van ALICE, welke binnenkort botsingen met loodionen gaat waarnemen. Credit: ALICE Collaboration.

Zoals ik eerder zei valt het bepalen van de massa van afzonderlijke quarks niet mee en dat kan ook gezegd worden van de wijze waarop gluonen en pionen het overgrote deel van de massa van protonen en neutronen vormen. Het zijn met name experimenten met zware atoomkernen, zoals ze doen met goud en lood in de LHC en ook in de RHIC in het Amerikaanse Brookhaven, waarmee ze dit bestuderen. Bij de LHC doen ze dat met de ALICE detector (zie afbeelding hierboven), die eind van dit jaar weer van start gaat. Met ALICE en de RHIC wordt in feite het moment nagebootst van de oerknal, toen de temperatuur zo heet was dat quarks en gluonen wel in vrije toestand voorkwamen en een quark-gluon plasma vormden. Mocht uit die experimenten nieuwe informatie komen dan laat ik het jullie direct weten. Bron: Backreaction.