Deze week groot in het nieuws: een resultaat, gevonden met deeltjesversneller LHC, dat niet strookt met onze huidige natuurkundige theorieën. Maar over wat voor resultaat gaat het nu eigenlijk? En wat kan de oorzaak ervan zijn?
Om de zoveel tijd vinden deeltjesfysici iets onverwachts. Iets wat niet lijkt te passen binnen de verzameling deeltjes en krachten die we kennen, en de theorie die ze beschrijft: het standaardmodel van de deeltjesfysica. Vaak verdwijnt zo’n resultaat na een tijdje weer. Was het bij nader inzien toch niet meer dan een toevallige uitschieter, die wegsmolt toen er meer data waren geanalyseerd.
Zo’n uitschieter kan LHCb, een van de vier experimenten langs de LHC-tunnel, nog steeds hebben gezien – maar die kans is met de bekendmaking van afgelopen dinsdag wel een stuk kleiner geworden. Inmiddels is er sprake van een ‘sigma’ van 3,1. Dat wil zeggen dat de kans dat we hier te maken hebben met een statistische oprisping in plaats van een echt resultaat ongeveer een op duizend is. Deeltjesfysici spreken in zo’n geval van ‘bewijsmateriaal voor’ een verschijnsel, maar nog niet van een ontdekking. Binnen dit vakgebied is daar een sigma van 5 voor nodig.
Maar wat hébben de LHCb-onderzoekers dan precies gezien? En welk nieuw natuurkundig verschijnsel zou erachter kunnen zitten?
Elektronen of muonen?
Bij dit resultaat draait het om mesonen: deeltjes die zijn opgebouwd uit twee quarks (of eigenlijk: een quark en een antiquark). In totaal zijn er zes verschillende soorten quarks: up, down, strange, charm, bottom en top. Het experiment LHCb – een van de vier grote experimenten die langs de 27 kilometer lange LHC-tunnel staan opgesteld – richt zich met name mesonen die een bottomquark bevatten, oftewel: B-mesonen.
Zo’n B-meson kan, heel af en toe, veranderen in een ander meson. (Voor het proces in detail, zie de tekst ‘Van bottom naar strange via top’ onder dit artikel.) En bij dat proces kunnen twee dingen gebeuren. Ofwel je krijgt een elektron – het lichte, negatief geladen deeltje dat rond atoomkernen zwermt – en diens antideeltje. Ofwel je krijgt twee deeltjes genaamd muonen: de een positief geladen, de ander negatief.
Nu zijn elektronen en muonen in feite identiek, behalve dat het muon tweehonderd keer zo zwaar is – maar dat verschil in massa speelt bij het omschreven proces geen rol. Als je de regels van het standaardmodel toepast, zou je daarom verwachten dat je precies even vaak een elektron en een anti-elektron krijgt als twee muonen.
De laatste jaren ziet het LHCb-team echter met steeds grotere zekerheid dat er vaker een elektronenkoppel ontstaat dan een muonenkoppel. Voor elke honderd keer dat een elektron en een anti-elektron verschijnen, verschijnen maar 85 keer twee muonen. Als dit resultaat overeind blijft, zegt Niels Tuning, natuurkundecoördinator van LHCb, ‘moet er dus een of ander nieuw proces zijn dat onderscheid maakt tussen elektronen en muonen’.
Nieuwe kracht
Wat dat nieuwe proces dan is? Eigenlijk vindt Tuning het op dit moment niet zo interessant om daarover te speculeren. ‘Het gaat erom dat het standaardmodel mogelijk niet klopt. Als dat zo is, is dat nieuws dat inslaat als een bom. Wat daar dan precies achter zit, komt voor ons op de tweede plaats.’
Toch hebben theoretici sinds LHCb de eerste tekenen van dit barstje in het standaardmodel zag de nodige mogelijkheden geopperd. Een daarvan is een nieuw deeltje genaamd Z’ (spreek uit zed prime). Dat lijkt op het eerdergenoemde Z-boson, een deeltje dat hoort bij de zogenoemde zwakke kernkracht, die onder meer zorgt voor het verval van radioactieve elementen. Dit Z’-boson zou ook zoiets zijn, maar dan behorende bij een nieuwe, tot nu toe niet waargenomen kracht.
Leptoquarks
De andere optie die veel wordt genoemd, is een leptoquark. Dat is een deeltje dat zich zowel bemoeit met quarks als met leptonen, de groep deeltjes waar elektronen en muonen toe behoren.
Leptoquarks werden in de jaren zeventig al bedacht, maar waren nooit erg populair. De reden: áls zo’n deeltje bestaat, geeft het protonen de mogelijkheid uiteen te vallen tot een anti-elektron en twee quarks. Maar voor zover we weten, gebeurt dat nooit, zegt Tuning. ‘Protonen zijn zo stabiel als een huis.’ Daar zou je dus uit kunnen concluderen dat er blijkbaar geen leptoquarks zijn.
Het LHCb-resultaat zet deze deeltjes toch weer op de kaart. Want stel dat het leptoquarks zijn die ervoor zorgen dat het hierboven omschreven proces minder vaak muonen oplevert dan je zou verwachten. Dan hebben deze leptoquarks blijkbaar wél invloed op muonen en zware quarks zoals het bottomquark, maar niet op elektronen en de lichte quarks waar protonen van zijn gemaakt. En in dat geval kunnen ze ook geen protonen uit elkaar laten vallen.
Enorme berg data
Wat er ook achter het waargenomen verschil tussen elektronen en muonen zit, op dit moment is het belangrijker om te bepalen of dat verschil ook echt bestaat. Een ander experiment dat hetzelfde verschijnsel ziet, zou het resultaat stukken overtuigender maken. De gedoodverfde kandidaat daarvoor is de Japanse detector Belle II, die net als LHCb gespecialiseerd is in fysica waar bottomquarks aan te pas komen. ‘Die zou over een jaar of vijf met een bevestiging kunnen komen’, schat Tuning in.
Ondertussen kunnen andere LHC-detectoren als ATLAS en CMS ook een duit in het zakje doen, al zijn ze minder goed in het bestuderen van het betreffende proces dan LHCb. ‘Het CMS-team is zich nu door een enorme berg data aan het worstelen op zoek naar B-mesonen’, zegt Tuning. ‘Ik hoor geruchten dat daar echt spannende resultaten uit kunnen komen.’
Het LHCb-team zit uiteraard ook niet stil. Dat kijkt nu naar een ander B-meson, om te zien of daar hetzelfde bij gebeurt. ‘Dat is heel spannend: welke kant gaat dat op?’, zegt Tuning. Gaan we terug naar een sigma van 2 als we die resultaten erbij nemen, of door naar een sigma van 4?’ En op dat resultaat hoeven we geen vijf jaar te wachten, zoals bij Belle II. ‘Ik denk dat we over zes tot twaalf maanden meer weten.’
Van bottom naar strange via top
Voor de liefhebbers: wat gebeurt er nu precies bij het door LHCb bestudeerde proces? Zoals gezegd gaat het om een B-meson – een meson dat bestaat uit een bottomquark en een andere quark – dat verandert in een ander meson. Daarbij wordt de bottomquark omgezet in een strangequark; de andere quark blijft ongemoeid. Maar die uiterst zeldzame gedaanteverwisseling van bottom naar strange kan alleen plaatsvinden via een tussenstap. Daarbij verandert de bottomquark eerst in twee andere deeltjes: een topquark en een zogenoemd W-boson. Die gaan vervolgens samen en leveren dan de genoemde strangequark op. Waar het nu om gaat, is dat die topquark tijdens zijn kortstondige bestaan zelf een ander deeltje kan uitzenden: een foton of een Z-boson (het neutrale broertje van het W-boson). Dat foton of Z-boson kan dan op zijn beurt weer uiteenvallen in twee andere deeltjes – en dat zijn ofwel een elektron en diens antideeltje, ofwel een positief en een negatief muon.
