Mogelijk zijn natuurkundigen een verschijnsel op het spoor dat de weg kan wijzen naar nieuwe deeltjes of krachten. Een bekend deeltje genaamd het muon blijkt zich namelijk anders te gedragen dan onze huidige theorie voorschrijft.

De deeltjes die we kennen, laten zich al tientallen jaren prima beschrijven met het standaardmodel van de deeltjesfysica. Aan de ene kant fijn: blijkbaar hebben we daarmee een prima werkende theorie in handen. Aan de andere kant: er zijn allerlei verschijnselen die níét in het standaardmodel passen, van zwaartekracht tot donkere materie. Daarom raken natuurkundigen altijd opgewonden als er een verschijnsel opduikt dat niet lijkt te stroken met het standaardmodel. Dat zou namelijk de deur op een kier kunnen zetten naar nieuwe deeltjes of krachten waarmee het standaardmodel is uit te breiden.

Lees ook:

• Wat is er mis met het muon?
• Muonen maken het onzichtbare zichtbaar

De afgelopen jaren lijkt het er steeds meer op dat het muon, een zwaardere kopie van het alomtegenwoordige elektron dat rond atoomkernen zwermt, op zo’n kiertje duidt. Dat blijkt zich namelijk op momenten niet te gedragen volgens de regels van het standaardmodel. En gisteren maakten wetenschappers van het experiment LHCb, dat botsingen in CERNs deeltjesversneller LHC bestudeert, een nieuw resultaat bekend dat óók weer in die richting wijst.

Eén op duizend

LHCb richt zich met name op zogenoemde bottomquarks; vandaar de b in de de naam van het experiment. Samen met een andere quark kunnen die zogenoemde B-mesonen vormen. Deze B-mesonen zijn niet stabiel; in een oogwenk vallen ze uit elkaar in andere deeltjes. En bij een van die vervallen lijkt iets geks aan de hand te zijn.

Bij deze zeldzame vervallen ondergaat het B-meson een gedaanteverwisseling: de bottomquark verandert in een lichtere quark, een strangequark (de andere quark waar het B-meson uit bestaat, blijft ongemoeid). Bij zo’n gedaanteverwisseling ontstaan bovendien twee elektronen óf twee muonen. Op basis van het standaardmodel zou je verwachten dat je dan in 50 procent van de gevallen elektronen krijgt, en in 50 procent van de gevallen muonen.

In maart maakte het LHCb-team echter bekend dat muonen bij dit verval ondervertegenwoordigd zijn. Voor elke honderd keer dat je elektronen krijgt, krijg je maar 85 keer muonen.

Nu kwam dat resultaat niet uit de lucht vallen; al in 2014 publiceerde het team er voor het eerst over, toen het nog redelijk onzeker was. In de jaren daarna werd de kans dat het resultaat op toeval berustte echter kleiner en kleiner. Inmiddels is die kans geslonken tot ongeveer één op duizend. Daarmee spreken deeltjesfysici weliswaar nog niet van een ‘ontdekking’, maar wel van ‘bewijsmateriaal’.

Moeilijker te vinden

En wat kan LHCb daar nu aan toevoegen? Nieuwe data heeft het experiment in de tussentijd niet vergaard; de LHC staat sinds eind 2018 uit voor een grote onderhoudsbeurt. Wel hebben de LHCb-wetenschappers de data die eerder is verzameld op een nieuwe manier doorgespit. Zoals gezegd gaat het om B-mesonen die bestaan uit een bottomquark, die een gedaanteverwisseling ondergaat, en een andere quark, waar niets mee gebeurt. Bij de eerdere experimenten was die andere quark een zogenoemde upquark; de lichtste quark die we kennen. Bij de nieuwe resultaten is onder meer gekeken naar het geval waarbij die andere quark een downquark, die wat zwaarder is.

Doet die andere quark er dan toe? “Waarschijnlijk niet. Het proces waar het om gaat, is hetzelfde”, schrijft deeltjesfysicus Patrick Koppenburg, vanuit het Nederlandse deeltjesinstituut Nikhef betrokken bij LHCb, op Twitter.

Today we show results using the transformation of a neutral B meson into two leptons (ℓ) and a neutral K meson. The only difference is the spectator quark which is not involved in the process. Now it’s a d quark instead of a u quark. pic.twitter.com/AAI5Q7iRh0

— Patrick Koppenburg ???2️⃣? (@PKoppenburg) October 19, 2021

“Maar wat we zien in onze detector is wel heel anders.” Het deeltje dat ontstaat als een downquark de bottomquark vergezeld, heeft namelijk geen elektrische lading. “En zo’n neutraal deeltje is veel moeilijker te vinden.”

Dat heeft tot gevolg dat de nieuwe resultaten statistisch gezien niet zo ‘hard’ zijn als die uit maart. De kans dat er sprake is van toeval, is hier nog een op vijftig – en zeker binnen de deeltjesfysica is dat een te grote kans om er al te veel waarde aan te mogen hechten. Maar: ook hier ontstaan er minder vaak muonen dan elektronen, waar die aantallen volgens het standaardmodel hetzelfde zouden moeten zijn. Het verschil is bij deze vervallen zelfs nog wat groter dan bij de in maart gepresenteerde metingen.

Andere experimenten

Marcel Merk, programmaleider LHCb op Nikhef, verwacht dat de nieuwe resultaten wisselend ontvangen zullen worden. “Mensen die eerder sceptisch waren, zullen zeggen: ‘Dit voegt niet veel toe’, terwijl de mensen die al enthousiast waren hier nóg enthousiaster van zullen worden.” Feit blijft namelijk dat de nieuwe metingen, hoewel op zichzelf dus niet zo overtuigend, wel in dezelfde richting wijzen als de eerdere.

LHCb wil nu nieuwe analyses  loslaten op de bestaande data, zegt Merk, dus uit die hoek vallen er nog wel meer publicaties te verwachten. Maar voor de toekomst is het vooral belangrijk dat een ánder experiment dan LHCb vergelijkbare resultaten vindt. Bij uitstek geschikt daarvoor is het Japanse Belle II al zal het nog wel een jaar of vijf duren voordat dat een duit in het zakje kan doen. Ondertussen zijn ook twee andere LHC-experimenten, CMS en ATLAS, hun data aan het doorspitten, op zoek naar vervallende B-mesonen. Zodat zo snel mogelijk duidelijk wordt of het muon zich écht niet aan de regels houdt die wij voor deeltjes hebben opgesteld.

Meer weten? In KIJK 11/2021 vind je het artikel ‘Wat is er mis met het muon?’, dat in detail behandelt hoe deeltjesfysici dit verschijnsel op het spoor kwamen en op wat voor nieuwe deeltjes dat zou kunnen duiden.

Tekst: Jean-Paul Keulen

Bronnen: ArXiv.org, Nikhef

Beeld: Reidar Hahn/Fermilab