Voorzichtige opwinding onder fysici: deeltje gedraagt zich vreemd

Deeltjesfysica Het muon, het zware broertje van het elektron, gedraagt zich niet altijd als verwacht. Dat kán duiden op een barstje in het standaardmodel.

Magneet voor de LHCb-detector in CERN bij Genève, ten tijde van de installatie.
Magneet voor de LHCb-detector in CERN bij Genève, ten tijde van de installatie. Foto ANP

Zit er een barstje in het standaardmodel dat de bouwsteentjes van de kosmos beschrijft? De afgelopen halve eeuw vielen die bouwsteentjes telkens netjes op hun plek in dat model, dat ook de krachten beschrijft die zulke deeltjes bijeenbinden tot de materie die wij waarnemen en waaruit wij bestaan. De ontdekking van het Higgs-deeltje bij de grote LHC-deeltjesbotser van CERN bij Genève was negen jaar geleden de kers op de taart.

Toch waren er ook fysici die stilletjes nog wat subtiele details van het standaardmodel onder de loep namen. Zoals de fysici van het relatief kleine LHCb-experiment bij CERN. Vandaag presenteren juist zij op de klassieke, jaarlijkse ‘deeltjesbijeenkomst’ Rencontres de Moriond resultaten die het standaardmodel (een beetje) in twijfel trekken. Of voorzichtiger: ze beschrijven barstjes die een kiertje kunnen worden waarachter ‘nieuwe fysica’ schuilt.

Of niet, vult Niels Tuning van het Nederlandse deeltjesinstituut Nikhef meteen aan. Als ‘physics coordinator’ van LHCb houdt hij een oogje op alle data-analyses. De nu gepresenteerde analyse zorgt voor „voorzichtige opwinding”, zegt hij behoedzaam.

De resultaten houden verband met het elementaire deeltje dat ooit als eerste werd ontdekt: het elektron. In wolken bewegend rond de atoomkernen, die op het diepste niveau uit zogeheten up- en down-quarks bestaan, behoren de negatief geladen elektronen tot de bouwsteentjes die atomen opleveren.

Dat het elektron twee zwaardere broers bleek te hebben, kwam als een verrassing. „Who ordered that?”, zou theoretisch fysicus Isidore Rabi in 1936 hebben uitgeroepen toen de eerste zware broer, het muon, opdook in kosmische straling. Bijna veertig jaar later, in 1975, werd de tweede zware broer gevonden, het tau-deeltje dat zelfs 3.500 maal de massa van het elektron heeft en vele malen instabieler is.

Drie broers

Andere experimenten lieten intussen zien dat elk van de drie broers zijn eigen kleine, ongrijpbare metgezel heeft: het elektron-, muon- en tau-neutrino respectievelijk. Met die metgezel werd elke broer daarna als één ‘leptonfamilie’ ondergebracht in het standaardmodel. De verwachting daarbij was dat de drie broers, identiek op hun massa na, steevast hetzelfde gedrag zouden vertonen.

En juist dat laatste lijken de LHCb-resultaten te weerspreken. De LHCb-fysici analyseerden de meetgegevens van een proces dat een muonpaar of een elektronpaar oplevert. Omdat van muonen en elektronen eenzelfde gedrag werd verwacht, was het idee dat beide uitkomsten nagenoeg even vaak zouden voorkomen. In plaats daarvan doken voor elke zeven elektronparen slechts ruwweg zes muonparen op.

Schiet het standaardmodel dus tekort? Dat zullen de LHCb-fysici niet beweren, zegt Tuning, omdat er een kans van één op duizend is dat dit resultaat louter toevallig uit de data naar voren springt. Dat is veel te groot om een ontdekking te claimen. Volgens de regels van de hoge-energiefysica mag zoiets pas als de kans dat een resultaat op toeval berust kleiner is dan één op 3,5 miljoen. En zelfs dan moet de vondst eerst nog bevestigd worden in een ander experiment, zoals bijvoorbeeld Belle II in Japan, dat al in de startblokken staat.

Anderzijds geeft het de LHCb-fysici moed dat ook al afwijkingen werden gevonden in eerdere metingen aan dit hoekje van het standaardmodel. En hoewel elk van die afwijkende resultaten nog minder precies was dan het nieuwste LHCb-resultaat, lijken ze allemaal samen toch vagelijk op een patroon te duiden. Het is een beetje alsof er in een nevelig en onbekend landschap een contour opdoemt uit de mist.

Quarkfamilies

Wie die contour echt wil begrijpen, moet dieper in de deeltjes duiken waarop de LHCb-detector is toegesneden, zegt Tuning. Dat zijn deeltjes die een bottom-quark bevatten. Zo’n bottom-quark vormt samen met een top-quark één van de drie quarkfamilies uit het standaardmodel. De veel lichtere up- en down-quarks, waaruit atoomkernen zijn opgebouwd, vormen een tweede quarkfamilie. De derde familie zit er tussenin en bestaat uit strange- en charm-quarks. De LHCb-fysici onderzochten het zeldzame proces waarbij deeltjes die uit een up- en een bottom-quark bestaan, via een tussenstap, uit elkaar vallen in elektron- of muonparen.

Dat zoiets maar zelden gebeurt, komt doordat het bottom-quark in die tussenstap tot een strange-quark transformeert. Het standaardmodel staat zo’n ‘smaakverandering’ eigenlijk niet toe, zegt Tuning. Daardoor kan de tussenstap alleen via slinkse en zelden betreden sluipwegen worden gemaakt, en dat maakt deze gebeurtenissen die eindigen in een elektron- of muonpaar, zo zeldzaam.

Juist die zeldzame gebeurtenissen vertonen nu afwijkend gedrag. Tegelijk blijken deeltjes met bottom- en strange-quarks in LHCb precies volgens de regels muonparen te produceren. Samen kan dat erop duiden dat er juist bij ‘smaakverandering’ een extra, onbekend mechanisme meespeelt. Een optie is bijvoorbeeld dat de sluipweg naar smaakverandering (mede) verloopt via ‘lepto-quarks’ die een mengvorm zijn van quarks en leptonen.

Het mooist zou het natuurlijk zijn als zo’n verklarend mechanisme ook andere vragen opheldert. Zoals: waarom zijn er drie ‘lepton-families’, evenveel als er quark-families zijn? Of: waaraan ontlenen het zware muon en het nog zwaardere tau-deeltje hun massa? Maar aan een theorie die dat allemaal verklaart, wordt nog gewerkt . „De experimenten zijn aan zet”, zegt Tuning.

Voor de LHCb-fysici betekent het dat ze aan de slag moeten met data die sinds 2018 zijn verzameld. Hopelijk laten die, in combinatie met de huidige resultaten uit de tot 2018 verzamelde gegevens, zien naar welke kant het kwartje valt. Blijft het standaardmodel overeind en blijven vragen zoals over de leptonfamilies onbeantwoord? Of wordt het ‘nieuwe fysica’? Wordt vervolgd – over een paar jaar.