Onverwachte LHC-gegevens kunnen leiden tot ontdekking nieuwe deeltjes

Het Standaardmodel van de deeltjesfysica is een theorie, een reeks van wetten, die alles beschrijft wat we momenteel weten over de meest fundamentele bouwstenen van de materie. 

Het Standaardmodel werkt bijzonder goed om zaken te beschrijven zoals waarom atomen samenkleven, hoe radioactiviteit werkt, waarom protonen stabiel zijn, en zelfs hoe het universum ontstaan kan zijn, maar het heeft ook een aantal beperkingen. Zo kan het bijvoorbeeld de zwaartekracht niet omschrijven, omdat het onverenigbaar is met de algemene relativiteitstheorie - onze beste verklaring van hoe zwaartekracht werkt -, en het geeft ook geen verklaring voor donkere materie-deeltjes. 

Bovendien zijn de kwantumtheorie die gebruikt wordt om de kleine partikels te beschrijven, en de algemene relativiteitstheorie die gebruikt wordt om de wereld van de grotere objecten te beschrijven, moeilijk met elkaar te verzoenen. Het is nog niet mogelijk gebleken om de twee mathematisch met elkaar te verenigen binnen de context van het Standaardmodel.

Natuurkundigen zoeken dan ook al jaren naar manieren om de regels te verbuigen of te breken, en nieuwe theorieën te vinden, en de laatste gegevens van het LHC beauty-experiment, of LHCb, die nu geanalyseerd zijn, lijken te wijzen op iets dat verder gaat dan het Standaardmodel.

De resultaten kunnen tot de ontdekking leiden van nieuwe deeltjes of zelfs nieuwe krachten, die op een dag de overblijvende mysteries van het heelal kunnen helpen verklaren.

"Afwijkingen zoals degene die we nu zien, zijn zeer opwindend, in de zin dat als er nieuwe partikels zijn, dat betekent dat we die nieuwe bouwstenen eventueel zullen kunnen gebruiken", zei Freya Blekman, een natuurkundige bij het CERN en professor aan de Vrije Universiteit Brussel, aan de website "Wired".

Een vereenvoudigd schema van de deeltjes in het Standaardmodel van de deeltjesfysica. In totaal zijn er zo'n 200 subatomaire deeltjes bekend.

De afwijkingen in de gegevens zijn vastgesteld bij het bestuderen van het verval van een deeltje, het B meson genaamd, dat bestaat uit een bottom quark en een up quark. B mesonen ontstaan wanneer de LHC protonen tegen elkaar laat botsen, en ze hebben een bijzonder korte levensduur. Ze zijn zeer instabiel en vervallen dan ook bijna onmiddellijk, dat wil zeggen dat ze uit elkaar vallen.

"Zo'n deeltje komt vrij algemeen voor", zei Blekman. "Door de aard van de deeltjesfysica, vallen alle onstabiele deeltjes zoals het B meson, uit elkaar tot meer stabiele deeltjes, op een zeer gelijkaardige manier als chemische en radioactieve reacties. We noemen dat het verval van een deeltje."

Het Standaardmodel voorspelt veel manieren waarop dit meson kan vervallen. Als het B meson op een bepaalde manier vervalt, eindigt het als een K meson, dat bestaat uit een strange quark en een up quark, met een paar leptonen. En dat paar kan ofwel bestaan uit een elektron en zijn antideeltje, een positron, ofwel uit een muon en een anti-muon, de zware neefjes van elektronen en positronen. 

Een deel van het LHCb-experiment aan de LHC. De LHCb is een van de zeven detectoren van deeltjes aan de LHC, en legt zich toe op schendingen van de CP-symmetrie bij de interacties van b-hadronen, zware deeltjes die een bottom quark bevatten. Dergelijke studies kunnen helpen om de materie-antimaterie-asymmetrie te verklaren, het feit dat er in het universum veel meer materie is dan antimaterie (foto: CERN).

"En hier wordt het interessant", zei Blekman aan "Wired". Voor dit bepaalde verval - van een B meson naar een K meson plus een paar leptonen -, voorspelt het Standaardmodel dat de kans dat het verval zal uitdraaien op het elektron-positron paar, ongeveer even groot is als de kans dat het verval met het paar muon-antimuon zal eindigen. Dat staat bekend als "lepton universality", de universaliteit van de leptonen.

Als je de verhouding meet van het aantal keer dat de muonen verschijnen tegenover het aantal keer dat de elektronen verschijnen, moet je op 1 uitkomen, of toch zeer dicht in de buurt van 1. En dat is niet het geval, de data van de LHC laten zien dat muonen minder vaak geproduceerd worden dan elektronen.

"De LHC meet niet 1, ze meten een getal dat veel dichter ligt bij 0,7", zei Blekman. "Het verschil is zo'n 2,2-2,5 standaardafwijkingen, wat betekent dat er een kans is van een op 80 of zo dat deze uitkomst nog steeds consistent is met 1."

In deeltjesfysica moeten de resultaten minstens drie - of zelfs vijf - standaardafwijkingen vertonen, voor ze als een ontdekking beschouwd worden. "Dit resultaat doet deeltjesfysici watertanden, maar het is geen bewijs voor wat dan ook", zei Blekman.

Maar zoals gezegd, heeft de LHCb al eerder een aantal gelijkaardige afwijkingen opgemerkt in verband met het verval van mesonen, en meer in het bijzonder van B mesonen, zei Guy Wilkinson, een natuurkundige van de University of Oxford en de woordvoerder voor LHCb. Ook die zijn nog niet statistisch significant, maar ze wijzen wel in dezelfde richting. "De laatste vijf jaar zijn er vreemde dingen aan het gebeuren", zo zei hij in "Nature".

Als de afwijkingen echt blijken te zijn, kan dat twee verschillende dingen betekenen. "Ofwel is de universaliteit van de leptonen niet waar, of er is iets extra aan het gebeuren, bijvoorbeeld, een nieuw extra tussenliggend partikel", zei Blekman. "Dat bewijzen en verklaren, in de beide gevallen, zou verbazingwekkend zijn, en het zou volledig de manier veranderen waarop we begrijpen hoe materie samen blijft. Het zou vooral verbazingwekkend zijn als er nieuwe partikels zijn, nieuwe krachten, die zaken als donkere materie in het heelal verklaren, of hoe het universum gevormd is." 

Een model van het LHCb-experiment (Illustratie: CERN).

Ook al is er nog niets bewezen, theoretische natuurkundigen hebben al nieuwe delen van de natuurkunde voorgesteld op basis van de afwijkingen die al eerder vastgesteld waren. Opwindend is dat deze laatste data over het verval van de B mesonen consistent zijn met die ideeën, zegt theoreticus David Straub van de Technische Universität München. Straub zelf heeft eerder deze week een paper gepost op de arXiv website met een analyse van de laatste resultaten van het meson-verval. Er zijn al vijf andere papers over hetzelfde onderwerp gepost, en waarschijnlijk volgen er nog meer. 

De meest voor de hand liggende manier om de resultaten te verklaren, is dat bij het verval van de B mesonen, er nieuwe partikels die niet voorspeld werden door het Standaardmodel, heel eventjes opduiken en een effect hebben op de producten van het verval. Daarover zijn de zes papers het eens. Een mogelijkheid is dat er een zwaardere neef zou kunnen zijn van een partikel dat het Z boson genoemd wordt, Z' genaamd. Een andere verklaring is het bestaan van een "leptoquark", een boson dat een aantal eigenschappen zou delen met zowel leptonen als quarks. 

Geen van die deeltjes komt voor in de favoriete schema's van de theoretici om het Standaardmodel uit te breiden. Onderzoekers zeggen dat als ze bestaan, de grotere experimenten van de LHC - Atlas en CMS - in staat zouden moeten zijn om ze direct te creëren, in plaats van te moeten kijken naar hun effecten op de vervalproducten van andere deeltjes.

De laatste analyses van de LHCb zijn volledig gebaseerd op gegevens van de eerste reeks botsingen in de LHC, die in 2013 eindigde toen de versneller gesloten werd voor een upgrade. Sinds de deeltjesversneller in 2015 opnieuw geopend is voor een tweede reeks, hebben LHCb en andere experimenten al een aanzienlijke berg aan nieuwe data verzameld. Verschillende nieuwe studies over het verval van B mesonen zijn nu op komst, gebaseerd op die nieuwere gegevens, en dus kan de vraag of er werkelijk iets aan de hand is, voor het einde van het jaar mogelijk al een antwoord krijgen. 

"We hebben genoeg gegevens op band om deze effecten te bevestigen of te ontkrachten. De waarheid zal naar boven komen", zo besloot LHCb-woordvoerder Guy Wilkinson in "Nature".