Er is meer aan de hand in het universum dan we weten. Zolt Levay/Flickr, CC BY-SA
De Substantial Hadron Collider (LHC) zorgde in maart voor wereldwijde opwinding toen deeltjesfysici verleidelijk bewijs voor nieuwe fysica rapporteerden – mogelijk een nieuwe natuurkracht. Nu lijkt ons nieuwe resultaat, dat nog door vakgenoten moet worden beoordeeld, van de gigantische deeltjesversneller van Cern het idee verder te ondersteunen.
Onze huidige beste theorie van deeltjes en krachten staat bekend als het standaardmodel, dat alles beschrijft wat we weten in excess of de fysieke dingen waaruit de wereld om ons heen bestaat, satisfied feilloze nauwkeurigheid. Het standaardmodel is zonder twijfel de meest succesvolle wetenschappelijke theorie die ooit is opgeschreven en toch weten we dat het onvolledig moet zijn.
Beroemd is dat het slechts drie van de vier fundamentele krachten beschrijft – de elektromagnetische kracht en sterke en zwakke krachten, de zwaartekracht buiten beschouwing gelaten. Het heeft geen verklaring voor de donkere materie die volgens de astronomie het universum domineert, en kan niet verklaren hoe materie tijdens de oerknal overleefde. De meeste natuurkundigen zijn er daarom van overtuigd dat er nog meer kosmische ingrediënten moeten worden ontdekt, en het bestuderen van een verscheidenheid aan fundamentele deeltjes die bekend staan als schoonheidsquarks is een bijzonder veelbelovende manier om hints te krijgen van wat er nog meer zou kunnen zijn.
Beauty-quarks, ook wel bottom-quarks genoemd, zijn fundamentele deeltjes, die op hun beurt grotere deeltjes vormen. Er zijn zes smaken quarks die omhoog, omlaag, vreemd, charme, schoonheid/onder en waarheid/boven worden genoemd. Up- en down-quarks vormen bijvoorbeeld de protonen en neutronen in de atoomkern.
Magnificence-quarks zijn onstabiel en leven gemiddeld slechts ongeveer 1,5 biljoenste van een seconde voordat ze in andere deeltjes vervallen. De manier waarop schoonheidsquarks vervallen, kan sterk worden beïnvloed door het bestaan van andere fundamentele deeltjes of krachten. Wanneer een beauty-quark vervalt, transformeert het in een reeks lichtere deeltjes, zoals elektronen, door de invloed van de zwakke kracht. Een van de manieren waarop een nieuwe natuurkracht zich aan ons bekend kan maken, is door subtiel te veranderen hoe vaak elegance-quarks in verschillende soorten deeltjes vervallen.
De paper van maart was gebaseerd op gegevens van het LHCb-experiment, een van de vier gigantische deeltjesdetectoren die de uitkomst van de doorway de LHC geproduceerde ultrahoogenergetische botsingen registreren. (De “b” in LHCb staat voor “schoonheid”.) Het ontdekte dat schoonheidsquarks in elektronen uiteenvielen en dat hun zwaardere neven satisfied verschillende snelheden muonen werden genoemd. Dit was echt verrassend, want volgens het standaardmodel is het muon in feite een kopie van het elektron – in alle opzichten identiek, behalve dat het ongeveer 200 keer zwaarder is. Dit betekent dat alle krachten even sterk aan elektronen en muonen moeten trekken – als een attractiveness-quark by means of de zwakke kracht in elektronen of muonen vervalt, zou hij dat even vaak moeten doen.
In plaats daarvan ontdekten mijn collega’s dat het muonverval slechts ongeveer 85% zo vaak plaatsvond als het elektronenverval. Ervan uitgaande dat het resultaat accurate is, zou de enige manier om zo’n outcome te verklaren zijn als een nieuwe natuurkracht die op een andere manier aan elektronen en muonen trekt, interfereert met het verval van schoonheidsquarks.
Het resultaat veroorzaakte grote opwinding onder deeltjesfysici. We zijn al tientallen jaren op zoek naar tekenen van iets dat verder gaat dan het standaardmodel, en ondanks tien jaar werk bij de LHC is er tot nu toe niets overtuigends gevonden. Dus het ontdekken van een nieuwe natuurkracht zou een enorme klus zijn en zou eindelijk de deur kunnen openen naar het beantwoorden van enkele van de diepste mysteries waarmee de moderne wetenschap wordt geconfronteerd.
Nieuwe resultaten
Hoewel het resultaat verleidelijk was, was het niet overtuigend. Alle metingen gaan gepaard fulfilled een zekere mate van onzekerheid of “fout”. In dit geval was er slechts ongeveer een kans van één op duizend dat het resultaat te wijten was aan een willekeurige statistische schommeling – of “drie sigma”, zoals we in de deeltjesfysica zeggen.
Eén op de duizend klinkt misschien niet als veel, maar we doen een zeer groot aantal metingen in de deeltjesfysica en dus zou je kunnen verwachten dat een klein handjevol uitschieters for every toeval uitschiet. Om echt zeker te zijn dat het influence echt is, moeten we vijf sigma bereiken – wat overeenkomt achieved minder dan een kans van één op een miljoen dat het influence te wijten is aan een wrede statistische toevalstreffer.
Om daar te komen, moeten we de grootte van de fout verkleinen en daarvoor hebben we meer gegevens nodig. Een manier om dit te bereiken is door het experiment langer uit te voeren en meer verval large te leggen. Het LHCb-experiment wordt momenteel geüpgraded om in de toekomst in een veel hogere snelheid botsingen te kunnen registreren, waardoor we veel preciezere metingen kunnen doen. Maar we kunnen ook nuttige informatie halen uit de gegevens die we al hebben vastgelegd door te zoeken naar vergelijkbare soorten verval die moeilijker te herkennen zijn.
LHCb-experiment.
Cern
Dit hebben mijn collega’s en ik gedaan. Strikt genomen bestuderen we het verval van schoonheidsquarks nooit rechtstreeks, omdat alle quarks altijd achieved andere quarks zijn verbonden om grotere deeltjes te maken. In de studie van maart werd gekeken naar magnificence-quarks die gepaard gingen achieved “up”-quarks. Ons resultaat bestudeerde twee vervalsingen: een waarbij de attractiveness-quarks gepaard gingen fulfilled “down”-quarks en een andere waarbij ze ook gepaard gingen met up-quarks. Dat de koppeling anders is, zou er echter niet toe moeten doen – het verval dat diep van binnen plaatsvindt, is hetzelfde en dus zouden we hetzelfde outcome verwachten als er echt een nieuwe kracht is.
En dat is precies wat we hebben gezien. Deze keer vond het verval van muonen slechts ongeveer 70% zo vaak plaats als het elektron vervalt, maar achieved een grotere fout, wat betekent dat het resultaat ongeveer “twee sigma” is van het standaardmodel (ongeveer een kans van twee op honderd dat het een statistische anomalie is ). Dit betekent dat, hoewel het resultaat op zichzelf niet nauwkeurig genoeg is om stevig bewijs voor een nieuwe strijdmacht te claimen, het zeer nauw aansluit bij het vorige resultaat en verdere ondersteuning geeft aan het idee dat we misschien op de rand van een grote doorbraak.
Natuurlijk moeten we voorzichtig zijn. Er is nog een weg te gaan voordat we met enige zekerheid kunnen beweren dat we werkelijk de invloed van een vijfde natuurkracht zien. Mijn collega’s werken momenteel difficult om zoveel mogelijk informatie uit de bestaande gegevens te persen, terwijl ze druk bezig zijn fulfilled de voorbereiding van de eerste run van het geüpgradede LHCb-experiment. Ondertussen naderen andere experimenten bij de LHC, evenals bij het Belle 2-experiment in Japan, dezelfde metingen. Het is opwindend om te bedenken dat er in de komende maanden of jaren een nieuw venster kan worden geopend op de meest fundamentele ingrediënten van ons universum.
Harry Cliff is in dienst van de Universiteit van Cambridge, is lid van de LHCb-samenwerking en ontvangt financiering van STFC.
