Nog even wat nababbelen over de resultaten van het Muon g-2 experiment

Credit: FNAL

Gisteren eind van de middag kregen we vanuit de VS de resultaten door van de eerste run van Fermilab’s Muon g-2 experiment, dat tot doel had (en heeft) om het magnetische moment van het muon te meten. De hoop was dat de experimenten de eerder door Brookhaven National Laboraties (BNL) gemeten anomalie zou bevestigen en wel met een nog hogere betrouwbaarheid. Dát is op zich inderdaad gebeurd, de metingen van BNL en Fermilab (FNAL) samen geven a=(g -2)/2=0,00116592061 (41), waarbij de statistische betrouwbaarheid omhoog ging van 3,7σ naar 4,2σ, d.w.z. dat de kans dat het resultaat statistische ruis is bedraagt 1 op 40.000. Nog altijd minder dan de magische vijf σ (kans 1 op 3,5 miljoen), maar toch goed op weg. Díe uitkomst zou op zich reden genoeg zijn om een feesje te geven, ware het niet dat er dezelfde dag – woensdag 7 april anno 2021 – óók nieuws was uit het andere kamp, het theoretische kamp. Zondag schetste ik in mijn blog nog de waarde volgens Standaard Model van a=0,00116591810 (43), het vigerende model dat de fysici sinds de jaren zeventig hanteren als hét model van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen. Maar wat bleek gisteren: een groep theoretisch natuurkundigen die de BMW Lattice Collaboration heet kwam met nieuwe berekeningen [1]Over de timing van de publicatie om het dezelfde dag te publiceren als de presentatie van Muon g-2 zei blogger Jester zojuist: “The lattice paper first appeared a year ago but only yesterday … Continue reading van de waarde van het magnetisch moment van het muon volgens SM, waarvan de resultaten in Nature verschenen. Probleem bij die berekeningen is dat het erg moeilijk is om van de wolk van virtuele deeltjes om een muon exact te bepalen welk soort deeltje welke bijdrage levert aan de afwijking van het magnetische moment. Elementaire deeltjes worden beschreven door Quantum Elektrodynamica (QED) en Quantum Chromodynamica (QCD) en het is met name voor die laatste lastig te bepalen welk aandeel de hadronen (alle deeltjes die uit quarks bestaan) hebben in de anomalie van het magnetische moment van het muon.

Wat zegt nu de BMW-groep: a=0,00116591954(55), geen 4,2σ, maar slechts 1,6σ verwijderd van de experimentele waarde van BNL en Fermilab! En daarmee zagen we gisteren best wel iets bijzonders: overeenstemming in het experimentele kamp, waarbij de eerder gemeten anomalie uit 2001 en 2006 bevestigd werd, maar ‘gedoe’ in het theoretische kamp, waarbij de eerdere SM-waarde nu gecorrigeerd wordt. Afijn, dit zal vast nog wel vervolgd worden. Sowieso krijgen we komende jaren nog nieuws uit het experimentele kamp, want van het Muon g-2 experiment is bij run 1 nog maar 6% geanalyseerd van de gegevens die ze bij het gehele experiment willen verzamelen – de analyse van run 2 is gaande en run 3 volgt nog. En vanuit dat theoretische kamp zal het laatste nog niet gezegd zijn over de waarde van de anomalie van het magnetische moment van het muon. Voor de liefhebbers hieronder nog de video met de integrale presentatie van de resultaten van Muon g-2, welke gisteren via Zoom was te volgen, daaronder twee van de vier vakartikelen over de resultaten (als ik de andere twee ook heb zal ik die er bij zetten).

Vakartikelen resultaten FNAL Muon g-2 experiment

B. Abi et al, Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801
T. Albahri et al. Magnetic-field measurement and analysis for the Muon g?2 Experiment at Fermilab, Physical Review A (2021). DOI: 10.1103/PhysRevA.103.042208

Tenslotte nog deze schitterende tweet van blogger Jester:

References[+]

References
1 Over de timing van de publicatie om het dezelfde dag te publiceren als de presentatie van Muon g-2 zei blogger Jester zojuist: “The lattice paper first appeared a year ago but only yesterday was published in Nature in a well-timed move that can be compared to an ex crashing a wedding party.” 😀

Uitkomsten van het Muon g-2 experiment: de bevestigde anomalie blijkt juist in lijn te zijn met Standaard Model

Credit: Dani Zemba, Penn State

Zojuist zijn door Aida El-Khadra (University of Illinois) en Chris Polly (FNAL) de resultaten bekendgemaakt van Run 1 [1]Run 2 wordt op dit moment geanalyseerd en Run 3 is gaande. van het Muon g-2 experiment, dat bij het Amerikaanse Fermilab is uitgevoerd. Bij het experiment heeft men gekeken of de eerder met Brookhaven National Laboratories (BNL) waargenomen anomalie in het magnetische moment van het muon, het 207 keer zo zware broertje van het elektron, echt is of dat het eerder een statistische ruis is geweest. De uitkomst is dat de eerder waargenomen anomalie, die een statistische betrouwbaarheid van 3,7σ had, opnieuw is waargenomen en wel met een nog hogere betrouwbaarheid van 4,2σ (lees: de kans dat het signaal ruis is die is 1 op 40.000, zie grafiek hieronder), eentje die mooi op de route ligt naar vijf σ, de grens om te kunnen spreken van een bewijs!

Credit: FNAL

Op zich zou dat kunnen wijzen op nieuwe natuurkunde, die niet past in het vigerende Standaard Model (SM) van de elementaire deeltjes en de nastuurkrachten daartussen. Maar… vandaag is ook een nieuw artikel verschenen in Nature, waarin de SM van het magnetische moment van het muon door het ‘BMW-team’ onder leiding van Zoltan Fodor (Penn State University) opnieuw is berekend. En wat blijkt: de eerder berekende waarde van het magnetische moment van het muon volgens SM is niet helemaal juist en de nieuwe, juiste waarde is in overeenstemming met de nu gevonden waarde door Fermilab’s experiment. Kortom, de eerder met BNL gevonden anomalie is bevestigd, maar de waarde die nu gevonden is blijkt toch in overeenstemming te zijn met Standaard Model! Wordt vervolgd…. Bron: Quanta Magazine + Phys.org.

References[+]

References
1 Run 2 wordt op dit moment geanalyseerd en Run 3 is gaande.

Opwinding over Rk en g-2

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

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

Credit: LHCb Collaboration

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

Credit: Flip Tanedo/CERN

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

Credit: Jester

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

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

Nieuwe theorie over de vijfde dimensie kan helpen bij de speurtocht naar donkere materie

Credit: Deselect/Pixabay.

Theoretisch natuurkundigen van Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) zijn onlangs gekomen met een theorie die verder gaat dan het Standaard Model van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen, een theorie waarmee het mogelijk is meer te weten te komen over donkere materie. Het idee van Matthias Neubert en z’n team is dat er naast de bekende vier dimensies (drie van ruimte en eentje van tijd) nog een vijfde dimensie is, een ‘gecompactificeerde’ dimensie zoals dat heet, een dimensie die zeer klein is en niet merkbaar voor het menselijk oog. Over extra dimensies buiten de vier bekende dimensies wordt al sinds de jaren twintig van de vorige eeuw gespeculeerd, toen Theodor Kaluza en Oskar Klein daar als eerste mee aan kwamen. Neubert’s groep had eerder al ontdekt dat het vijf-dimensionale model het bestaan voorspelt van een zeer zwaar deeltje, dat qua eigenschappen zou lijken op het Higgs boson.

Jawel, daar is ‘ie, de fifth dimension. Oh wacht…. Credit: Soul City Records/Wikipedia.

Probleem was echter dat het nieuwe deeltje zo zwaar is dat het nooit en te nimmer te detecteren zou zijn, zelfs niet met een opgewaardeerde Large Hadron Collider (LHC). Dus ja, wat heb je aan een theorie als die niet te toetsen valt? Maar daar lijkt nu een oplossing voor te zijn gevonden. In een recent artikel, gepubliceerd in de European Physical Journal C, schrijven ze dat het nieuwe deeltje zorgt voor een nieuwe kracht tussen de bekende, ‘normale’ elementaire deeltjes en de donkere materie. En die kracht is wel degelijk meetbaar, aldus de onderzoekers.

After years of searching for possible confirmations of our theoretical predictions, we are now confident that the mechanism we have discovered would make dark matter accessible to forthcoming experiments, because the properties of the new interaction between ordinary matter and dark matter – which is mediated by our proposed particle – can be calculated accurately within our theory.” – Prof. Dr. Matthias Neubert.

De theorie van Neubert’s groep zou ook verklaren waarom de ‘hiërarchie’ van de massa van de bekende elementaire deeltjes is zoals ‘ie is, dus waarom het Higgs boson bijvoorbeeld slechts 125 GeV in massa is en niet veel zwaarder, zoals het volgens berekeningen zou moeten zijn. Bron: JGU.

Een nieuwe manier om de deeltjes en krachten van het Standaard Model in 3D weer te geven

De generaties deeltjes van het Standaardmodel. Credit: Wikipedia

Het Standaard Model is hét model om de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen te beschrijven. Dát het model niet volledig is weten we, want zaken zoals donkere materie, donkere energie en de zwaartekracht zitten niet in het Standaard Model. En toch is SM, zoals we het maar even kort noemen, hét gangbare model dat de natuurkundigen hanteren. SM is ergens halverwege de jaren zeventig opgesteld en al net zo lang zijn er pogingen gedaan de deeltjes en krachten ervan visueel weer te geven, zoals met bovenstaande weergave, die de deeltjes á la de periodieke tabel weergeeft. Of met de weergave hieronder, die David Kaplan voor z’n film Particle Fever gebruikte.

Credit: David Kaplan/Particle Fever.

Maar altijd was er wel iets mis met dergelijke weergaves, dat er toch iets essentieels ontbrak. Zo laat de weergave bovenaan de kleurenlading niet zien en worden krachtvoerende deeltjes, zoals het foton, gelijkgesteld met de deeltjes waaruit materie bestaat, zoals quarks en elektronen. En in Kaplan z’n model lijkt alles te draaien om het Higgs boson, terwijl die niet zo prominent is en het lijkt ook alsof het foton (gamma teken) alleen met de u, c en t quarks reageert, terwijl dat niet zo is.

Kortom, het blijft zoeken naar de ideale weergave van de deeltjes en natuurkrachten volgens SM. En die lijkt nu gevonden! Chris Quigg (Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois) heeft een nieuw driedimensionaal model opgesteld, dat hij de double simplex representation noemt, zo genoemd omdat de links- en rechtshandige deeltjes elk een simplex vormen, een generalisatie van een driehoek – goh, waarom moet ik toch opeens aan de Double Helix denken? Afijn, achter het model zit een hele ingenieuze gedachte, die in de bron volledig wordt beschreven ‘from scratch’. Ik volsta hier met het eindproduct van het double simplex model, dat hieronder interactief te zien en te besturen is.

Bron: Quanta Magazine.

Verbeterde bepaling Hubbleconstante geeft aanwijzing bestaan Nieuwe Natuurkunde

De drie stappen op weg naar de bepaling van de Hubbleconstante. Credit: NASA

Gebruikmakend van de laatste waarneemgegevens van de ESA/NASA Hubbleruimtetelescoop hebben de sterrenkundigen een verbeterde waarde kunnen bepalen van de Hubbleconstante, de constante die de snelheid aangeeft waarmee het heelal uitdijt. De waarnemingen aan zes veranderlijke sterren, Cepheïden genaamd, van de afgelopen zes jaar zijn geanalyseerd, waarnemingen die tien keer verder reikten dan bij eerdere bepalingen van de constante, en de uitkomst is dat de Hubbleconstante H0=73 kilometer per seconde per megaparsec (= 3,3 miljoen lichtjaar), dat wil zeggen dat dat een sterrenstelsel op 3,3 miljoen lichtjaar zich met een snelheid van 73 km/s van ons verwijdert, op 33 miljoen lichtjaar met 730 km/s, enzovoorts.

Dankzij de relatie tussen periode en lichtkracht van Cepheïden kan hun afstand zeer nauwkeurig worden bepaald. Er zijn twee types Cepheïden. Credit: Vedran V / Wikiwand.

Goed nieuws dat de waarde van de Hubbleconstante hierdoor nauwkeuriger is bepaald. Eén probleem echter: de waarde is ook op een andere manier zeer goed bepaald en wel door de Europese Planck satelliet met behulp van de kosmische microgolf-achtergrondstraling, het restant van de hete straling van de oerknal, waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond. En Planck leverde een waarde op die 9% lager ligt, tussen 67 en 69 km/s/Mpc. Dat is een erg groot verschil – een verschil waar eerder ook al op is gewezen – en de kans dat dit verschil op toeval berust is 1 op 5000! Beide methodes van Hubble en Planck zijn op verschillende wijzen getest en gemeten, dus het lijkt er op dat beiden gelijk hebben. Kan dat? Ja dat kan en er zijn enkele mogelijke verklaringen. Eén ervan is dat de donkere energie, die zorgt voor de versnelde uitdijing van het heelal, niet constant is, maar toeneemt met de tijd. Adam Riess, één van de ontdekkers in 1998 van die donkere energie en tevens één van de onderzoekers die de nieuwe Hubbleconstante heeft bepaald, noemt dit een mogelijkheid.

De familie der neutrino’s, drie gewone en één steriele. Credit: Quanta Magazine.

Wat ook mogelijk is dat is dat er ‘donkere straling’ bestaat, een nieuw soort elementair deeltje dat met de lichtsnelheid reist en dat alleen op zwaartekracht reageert. Het hypothetische steriel neutrino zou één van de deeltjes kunnen zijn waaruit die donkere straling bestaat. Dat steriele neutrino is familie van de gewone neutrino’s, die via de zwakke wisselwerking wel met gewone materie kan reageren. Nog een andere mogelijkheid is dat donkere materie sterker reageert met gewone materie als men eerst dacht (zie afbeelding hierboven). Al deze mogelijkheden noemt men ‘Nieuwe Natuurkunde’, natuurkunde die verder gaat dan het huidige model van de elementaire deeltjes en de krachten ertussen, het Standaard Model. Hier het vakartikel van de sterrenkundigen over de laatste bepaling van de Hubbleconstante, verschenen in The Astrophysical Journal. Bron: Hubble.

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.

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.

Gezocht: handige programmeurs die $ 15.000 willen winnen door τ- → μ+μ-μ- te vinden

Op de website van Kaggle – Home of Data Science – is een wedstrijd verschenen waaraan iedereen mee kan doen en dat erop gericht is een programma te schrijven dat het beste de gegevens kan analyseren die verzameld zijn met de Large Hadron Collider (LHC), ’s werelds grootste deeltjesversneller bij Gen