Het standaardmodel van de deeltjesfysica beschrijft de eigenschappen en interacties van de bestanddelen van materie. De ontwikkeling van deze theorie begon in de vroege jaren zestig, en in 2012 werd het laatste stukje van de puzzel opgelost door de ontdekking van het Higgs-deeltje bij de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN in Zwitserland. Experimenten hebben keer op keer de zeer nauwkeurige voorspellingen van het standaardmodel bevestigd.

Nog, onderzoekers hebben redenen om te geloven dat fysica buiten het standaardmodel bestaat en moet worden gevonden. Bijvoorbeeld, het standaardmodel verklaart niet waarom materie domineert over antimaterie in het universum. Het geeft ook geen aanwijzingen over de aard van donkere materie - de onzichtbare substantie die vijf keer vaker voorkomt dan de gewone materie die we waarnemen.

In deze vraag en antwoord deeltjesfysicus Vera Lüth bespreekt wetenschappelijke resultaten die mogelijk duiden op fysica die verder gaat dan het standaardmodel. De emeritus hoogleraar experimentele deeltjesfysica aan het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy is co-auteur van een overzichtsartikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur dat de bevindingen van drie experimenten samenvat:BABAR bij SLAC, Belle in Japan en LHCb bij CERN.

Wat zijn de hints van nieuwe natuurkunde die je in je artikel beschrijft?

De hints zijn afkomstig uit studies van een elementair deeltje, bekend als het B-meson - een onstabiel deeltje dat wordt geproduceerd bij de botsing van krachtige deeltjesbundels. Preciezer, deze studies keken naar verval van het B-meson waarbij leptonen betrokken zijn - elektrisch geladen elementaire deeltjes en de bijbehorende neutrino's. Er zijn drie geladen leptonen:het elektron, een kritische component van atomen ontdekt in 1897; de muon, voor het eerst waargenomen in kosmische straling in 1937; en de veel zwaardere tau, ontdekt in de SPEAR elektron-positron (e+e-) opslagring bij SLAC in 1975 door Martin Perl.

Door hun zeer verschillende massa's, de drie leptonen hebben ook een heel verschillende levensduur. Het elektron is stabiel, terwijl het muon en tau in een kwestie van microseconden en een fractie van een picoseconde vervallen, respectievelijk. Een fundamentele aanname van het standaardmodel is dat de interacties van de drie geladen leptonen hetzelfde zijn als rekening wordt gehouden met hun verschillende massa's en levensduur.

Over vele jaren, verschillende experimenten hebben deze veronderstelling getest - aangeduid als "lepton universaliteit" - en tot op heden is er geen duidelijke schending van deze regel waargenomen. We hebben nu aanwijzingen dat de snelheden voor B-meson-verval waarbij tau-leptonen betrokken zijn, groter zijn dan verwacht in vergelijking met de gemeten snelheden van verval met elektronen of muonen, rekening houdend met de verschillen in massa. Deze waarneming zou de universaliteit van lepton schenden, een fundamentele aanname van het standaardmodel.

Wat houdt een overtreding van het Standaardmodel eigenlijk in?

Het betekent dat er bewijs is voor verschijnselen die we niet kunnen verklaren in de context van het Standaardmodel. Als een dergelijk fenomeen stevig vaststaat, het standaardmodel moet worden uitgebreid - door nieuwe fundamentele deeltjes te introduceren en ook nieuwe interacties met betrekking tot deze deeltjes.

In recente jaren, zoekopdrachten naar fundamenteel nieuwe fenomenen zijn gebaseerd op zeer nauwkeurige metingen om afwijkingen van voorspellingen van het standaardmodel te detecteren of op zoekopdrachten naar nieuwe deeltjes of interacties met eigenschappen die verschillen van bekende.

Wat zijn de BABAR precies, Belle en LHCb-experimenten?

Het zijn drie experimenten die de universaliteit van lepton hebben uitgedaagd.

Belle en BABAR waren twee experimenten die speciaal waren ontworpen om B-mesonen met ongekende precisie te bestuderen - deeltjes die vijf keer zwaarder zijn dan het proton en een bodem- of b-quark bevatten. Deze onderzoeken zijn uitgevoerd bij e+e-opslagringen die gewoonlijk B-fabrieken worden genoemd en werken bij botsingsenergieën die net hoog genoeg zijn om een ​​paar B-mesonen te produceren, en geen ander deeltje. BABAR werkte van 1999 tot 2008 bij SLAC's PEP-II Belle bij KEKB in Japan van 1999 tot 2010. Het grote voordeel van deze experimenten is dat de B-mesonen paarsgewijs worden geproduceerd, elk vervalt in lichtere deeltjes - gemiddeld vijf geladen deeltjes en een vergelijkbaar aantal fotonen.

Het LHCb-experiment blijft werken bij de proton-protonversneller LHC met energieën die die van B-fabrieken met meer dan een factor 1 overschrijden. 000. Bij deze hogere energie, B-mesonen worden veel sneller geproduceerd dan in B-fabrieken. Echter, bij elke kruising van de balken, naast B-mesonen worden honderden andere deeltjes geproduceerd. Deze functie bemoeilijkt de identificatie van B-mesonverval enorm.

Om de universaliteit van leptonen te bestuderen, alle drie de experimenten richten zich op B-verval waarbij een geladen lepton en een bijbehorend neutrino betrokken zijn. Een neutrino laat geen spoor achter in de detector, maar de aanwezigheid ervan wordt gedetecteerd als ontbrekende energie en momentum in een individueel B-verval.

Welk bewijs heb je tot nu toe voor een mogelijke schending van de universaliteit van lepton?

Alle drie de experimenten hebben specifiek B-mesonverval geïdentificeerd en de snelheden van verval waarbij een elektron of muon betrokken is vergeleken met die waarbij het tau-lepton met een hogere massa betrokken is. Alle drie de experimenten observeren hoger dan verwachte vervalsnelheden voor het verval met een tau. De gemiddelde waarde van de gerapporteerde resultaten, rekening houdend met de statistische en systematische onzekerheden, overtreft de verwachting van het Standaardmodel met vier standaarddeviaties.

Deze verbetering is intrigerend, maar niet voldoende geacht om ondubbelzinnig een schending van de universaliteit van lepton vast te stellen. Om een ​​ontdekking te claimen, deeltjesfysici eisen over het algemeen een significantie van ten minste vijf standaarddeviaties. Echter, het feit dat deze verbetering werd gedetecteerd door drie experimenten, werken in zeer verschillende omgevingen, verdient aandacht. Hoe dan ook, er zijn meer gegevens nodig, en worden in de niet al te verre toekomst verwacht.

Wat was uw rol in dit onderzoek?

Als technisch coördinator van de BABAR-samenwerking tijdens de bouw van de detector, Ik was de liaison tussen de fysici en de technische teams, ondersteund door het BABAR-projectmanagementteam bij SLAC. Met meer dan 500 BABAR-leden uit 11 landen, dit was een uitdagende taak, maar met de gecombineerde expertise en toewijding van de samenwerking was de detector in vier jaar tijd voltooid en klaar om gegevens te verzamelen.

Zodra gegevens beschikbaar kwamen, Ik sloot me weer aan bij SLAC's onderzoeksgroep C en nam de leiding over van Jonathan Dorfan. Als voorzitter van de fysica-werkgroep over B-verval waarbij leptonen betrokken zijn, Ik coördineerde verschillende analyses door wetenschappers van verschillende externe groepen, waaronder SLAC-postdocs en afstudeerders, en hielp bij het ontwikkelen van de analysetools die nodig zijn voor precisiemetingen.

Bijna 10 jaar geleden, we zijn begonnen met het bijwerken van een eerdere analyse die is uitgevoerd onder leiding van Jeff Richman van de Universiteit van Californië, Santa Barbara op B vervalt met tau-leptonen en breidde het uit tot de volledige BABAR-gegevensset. Dit resulteerde in de verrassend grote vervalsnelheid. De analyse was het onderwerp van het proefschrift van mijn laatste afstudeerstudent, Manuel Franco Sevilla, die in de loop van vier jaar een aantal absoluut kritische bijdragen heeft geleverd die de nauwkeurigheid van deze meting aanzienlijk hebben verbeterd, en daarmee de betekenis ervan vergroot.

Wat houdt je enthousiast over deeltjesfysica?

In de afgelopen 50 jaar dat ik in de deeltjesfysica heb gewerkt, Ik ben getuige geweest van enorme vooruitgang in theorie en experimenten die hebben geleid tot ons huidige begrip van de bestanddelen van materie en hun interacties op het meest fundamentele niveau. Maar er zijn nog veel onbeantwoorde vragen, van heel basale zoals "Waarom hebben deeltjes bepaalde massa's en andere niet?" op vragen over de grootsheid der dingen, zoals "Wat is de oorsprong van het universum, en is er meer dan één?"

Universaliteit van Lepton is een van de fundamentele aannames van het Standaardmodel. Als het geschonden zou worden, onverwachte nieuwe natuurkundige processen moeten bestaan. Dit zou een grote doorbraak zijn – nog verrassender dan de ontdekking van het Higgs-deeltje, waarvan het bestaan ​​vele decennia geleden werd voorspeld.

Welke resultaten verwacht u in de nabije toekomst?

Er gebeurt echt veel op het veld. LHCb-onderzoekers verzamelen meer gegevens en zullen proberen te achterhalen of de universaliteit van lepton inderdaad wordt geschonden. Ik denk dat we het antwoord tegen het einde van dit jaar moeten weten. Een bevestiging wordt een groots evenement en zal ongetwijfeld leiden tot intensief experimenteel en theoretisch onderzoek.

Op dit moment begrijpen we de oorsprong van de waargenomen verbetering niet. We gingen er eerst van uit dat het gerelateerd zou kunnen zijn aan een geladen partner van het Higgs-deeltje. Hoewel de waargenomen kenmerken niet overeenkwamen met de verwachtingen, een uitbreiding van het Higgs-model zou dit kunnen doen. Een andere mogelijke verklaring die noch bevestigd noch uitgesloten kan worden, is de aanwezigheid van zogenaamde lepto-quarks. Deze open vragen zullen een zeer spannend onderwerp blijven dat moet worden aangepakt door experimenten en theoretisch werk.

Onlangs, LHCb-wetenschappers hebben een interessant resultaat gerapporteerd dat aangeeft dat bij bepaalde B-mesonenverval vaker een elektronenpaar dan een muonpaar aanwezig is. Echter, de betekenis van deze nieuwe bevinding is slechts ongeveer 2,6 standaarddeviaties, dus het is te vroeg om conclusies te trekken. BABAR en Belle hebben deze waarneming niet bevestigd.

In de B-fabriek van de volgende generatie, Super-KEKB in Japan, het nieuwe Belle II-experiment is gepland om in 2018 te beginnen met het geplande 10-jarige onderzoeksprogramma. De verwachte zeer grote nieuwe datasets zullen veel mogelijkheden bieden voor zoekopdrachten naar deze en andere indicaties van fysica buiten het standaardmodel.