Leidt discriminatie tussen leptonen tot een barst in het standaardmodel?

18 - 04 - 2017


De fundamentele natuurwetten zijn wellicht niet lepton-universeel!

Voor iemand die aan het LHCb experiment werkt maakt deze uitspraak diepe indruk. Is het echt zo? Zelf weet ik het nog niet zeker, maar het begint er wel aardig op te lijken. Meer en meer waarnemingen binnen de fysica van quark en lepton generaties (flavours) lijken erop te wijzen dat de natuur daadwerkelijk discrimineert tussen elektronen, muonen en tau-deeltjes.

“Who cares?” zou je zeggen. Het punt is dat we volgens het Standaardmodel leven in een universum van drie generaties deeltjes maar dat we vooralsnog geen enkele reden weten waarom dit zo is.  De natuurkrachten behandelen de drie generaties deeltjes geheel democratisch (met uitzondering van hun massa) en er zouden net zo goed maar één enkele of wel vijf generaties deeltjes kunnen bestaan. Om erachter te komen waarom er drie generaties zijn moeten we dieper graven dan het Standaardmodel en misschien hebben we hiervoor nu een aanwijzing.

Het gegeven dat alle krachten tussen verschillende geladen leptonen (electron, muon, tau deeltje) universeel zijn, geldt voor de bekende deeltjeskrachten: de wisselwerking met sterke gluonen, elektromagnetische fotonen, en zwakke W en Z bosonen. Het betreft een fundamenteel principe waarop het Standaardmodel is gebouwd. De vraag is dan: bestaat er nog een natuurkracht die anders is voor de verschillende types (flavours) van deeltjes?

Figuur 1. De twee nieuwe LHCb metingen (zwarte meetpunten) van de grootheid RK* die aangeeft in hoeverre de meting overeenstemt met de verwachtingen van verschillende berekeningen van het Standaardmodel (gekleurde meetpunten). De grootheid q2 op de horizontale representeert de energie waarmee het muonen danwel electronen deeltjespaar geproduceerd is.

Dit is het onderwerp van een studie bij het LHCb experiment waar we bij een zeldzaam deeltjesverval van B-mesonen kijken of muon deeltjes net zo vaak geproduceerd worden als elektronen.  Als hierbij een afwijking gezien wordt is dit een directe aanwijzing dat er nieuwe fundamentele krachten in het spel zijn.

Voor het schenden van deze zogenaamde lepton universaliteit, vrij vertaald als lepton discriminatie, bestaan al sinds enige tijd aanwijzingen waarbij de statistische significantie nog onvoldoende is om definitieve conclusies te trekken. LHCb heeft op 18 april 2017 op CERN een nieuwe meting gepresenteerd die een verdere barst in het Standaardmodel aanbrengt. Er is wederom een aanwijzing dat bij een zeldzaam deeltjesverval van B-mesonen relatief iets minder muon- deeltjesparen geproduceerd worden dan elektronen. Discrimineert de natuur daadwerkelijk de muonen?

In 2012 heeft het Babar experiment voor het eerst waarnemingen gepubliceerd waarbij er gekeken wordt naar vervalsgebeurtenissen van B-mesonen (deeltjes met een bottom-quark) naar  D-mesonen (deeltjes met een charm-quark) samen met een tau en tau-neutrino deeltjespaar enerzijds, of samen met een muon en muon-neutrino deeltjespaar anderszijds. In termen van de reactieprocessen wordt het aantal B -> D τ ν gebeurtenissen vergeleken met het aantal B -> D μ ν. De meting gaf destijds een hint dat er inderdaad discriminatie in het spel kan zijn: naar verwachting minder vervallen met muonen dan met tau’s. Meer recente metingen van LHCb en van het Belle experiment bevestigden dit beeld zodat er momenteel een sprake is van een hint van ongeveer vier standaarddeviaties (4σ), tot dusver de meest significante aanwijzing dat het Standaardmodel van deeltjeskrachten niet het hele verhaal is.

Deeltjesvervallen met neutrino’s zijn razend moeilijk te detecteren bij de LHC omdat ze niet direct waargenomen kunnen worden. Daarbij komt dat de tau-deeltjes zelf in de detector ook vervallen naar andere deeltjes, waarbij er wederom tenminste een neutrino geproduceerd wordt. Toch kunnen deze metingen gedaan worden, dankzij een nieuwe analyse methode van Nikhef postdoc Greg Ciezarek, de hoofdonderzoeker van de tau-mu discriminatie meting bij LHCb. Momenteel kijken we reikhalzend uit naar het resultaat van een nieuwe meting met zogenaamde ‘aangeslagen’ D mesonen (D* mesonen), dat waarschijnlijk binnen enkele maanden zal verschijnen. In vakjargon worden deze tau-mu universaliteit metingen waarbij ook D- of D*-mesonen geproduceerd worden, aangeduid met de grootheden RD en RD*.

Figuur 2. Vier mogelijke Feynmandiagrammen van het deeltjesverval van een B-meson naar een K* meson en een lepton-paar, waarbij het lepton l staat voor een muon of een electron. De diagrammen links- en rechtsboven zijn quantumprocessen uit het Standaardmodel, het diagram linksonder geeft het proces met een Z-prime (Z’) weer en het diagram rechtsonder met een leptoquark (Δ).

Naast de meting van universaliteit tussen muonen en tau-leptonen werd ook al eerder gekeken naar discriminatie tussen muonen en elektronen. Hiervoor worden deeltjesvervallen gebruikt van een B-meson naar een Kaon deeltje (een meson met een strange quark) en een muon paar of een elektron paar, in formules: B -> K μ+μ-  versus B -> K e+e .  In dit geval heet de grootheid die de asymmetrie bepaalt RK. In 2014 heeft een LHCb team onder leiding van Nikhef staf fysicus Patrick Koppenburg, de asymmetrie RK gemeten en de afwijking van het Standaardmodel was daarbij 2.6σ, lang niet genoeg om enige conclusies te kunnen trekken. Maar net als bij de RD en RD*  kan ook bij deze kaonen gekeken worden naar de deeltjesvariant met aangeslagen kaon (K*) deeltjes: de grootheid heet dan RK*.

Het nieuwe resultaat van LHCb met K* vervallen laat een consistent beeld zien: er ontstaan naar verhouding wederom te weinig muonparen. De nieuwe meting is wederom een aanwijzing met vooralsnog beperkte statistische significantie, echter het totaalbeeld dat er iets aan de hand is wordt hiermee verder bevestigd.

Wat kan er aan de hand zijn?
De eerdere meetresultaten van de grootheden RD, RD* en RK  hebben geleid tot tientallen publicaties van mogelijke verklaringen van het discriminatie fenomeen. De verwachting is dat de nieuwe RK* meting hernieuwde inspanning van modellenbouwers vraagt om alle meetresultaten te verklaren. Dit is geen eenvoudige taak omdat de D-variant van deze meting via een ander quantumproces verloopt (via een zogenaamde tree diagram) dan de K-variant (de zogenaamde pinguin diagram). Toch zijn theoretische fysici erin geslaagd verklaringen te vinden die beide waarnemingen kunnen verklaren. De twee belangrijkste hypotheses hiervoor zijn enerzijds het bestaan van het Z-prime deeltje, of anderzijds het bestaan van lepto-quarks.

Een Z-prime deeltje is een massievere versie van het Z-boson. Hun bestaan is erop gebaseerd dat er in de natuur nog een fundamentele kracht zou bestaan, waarvan het Z-prime deeltje de drager is, die in tegenstelling tot het gewone Z- deeltje wel onderscheid maakt tussen verschillende types van leptonen. Met dergelijke modellen wordt vaak gepoogd te verklaren waarom er drie generaties bestaan. Deze Z-prime deeltjes gaan dan vaak gepaard met vergelijkbare W-prime deeltjes, die dan een rol spelen in de verklaring van de waargenomen RD en RD* resultaten.

Een andere mogelijkheid is het bestaan van zogenaamde lepto-quarks: krachtdeeltjes die koppelen aan zowel leptonen als quarks, hetgeen in het Standaardmodel nooit het geval is. Dergelijke deeltjes zijn er nodig in theorieen die de sterke, zwakke, en elektromagnetische kracht verenigen in een zogenaamde Grand Unified theorie.

Hoe gaat dit nu verder?
De tot dusver waargenomen afwijkingen van het Standaardmodel hebben elk op zich onvoldoende significantie om een eenduidige conclusie te trekken. Hun gezamenlijke resultaat kan erop wijzen dat er een nieuwe natuurkracht aan het werk is hetgeen tot veel discussies en opwinding leidt tussen fysici. Om verdere duidelijkheid te verschaffen zal de LHCb collaboratie in de loop van dit jaar nieuwe metingen presenteren, waarbij de lepton discriminatie al dan niet bevestigd zal worden. Mocht dit daadwerkelijk het geval zijn, dan is het Standaardmodel onvolledig en is er heel wat voer voor kosmologen om de nieuwe natuurwetten in te bouwen in de theorie van de Big Bang. Zéér spannend!

Marcel Merk
Programmaleider LHCb, Nikhef