Wat als de kans dat een gebeurtenis plaatsvindt ongeveer één op tien miljard was? Dit is het geval voor het verval van een positief geladen deeltje dat bekend staat als een kaon in een ander positief geladen deeltje dat een pion en een neutrino-antineutrino-paar wordt genoemd. Nog, zo'n zeldzame gebeurtenis, die nooit met zekerheid is waargenomen, is iets dat deeltjesfysici echt in handen willen krijgen. De reden? Het standaardmodel voorspelt zulke kansen van één op tien miljard met een onzekerheid van minder dan tien procent. Een afwijking van deze voorspelling, onthuld door een nauwkeurige meting van het verval, zou daarom een ​​duidelijke indicator kunnen zijn van de natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel.

In een seminar dat vandaag plaatsvindt bij CERN, de NA62-samenwerking meldt een kandidaat-gebeurtenis van dit ultra-zeldzame kaon-verval gevonden met behulp van een nieuwe "in-flight-verval"-benadering. Hoewel deze enkele gebeurtenis niet kan worden gebruikt om verder te gaan dan de fysica van het standaardmodel, het toont aan dat de aanpak goed werkt en kan worden toegepast om meer gebeurtenissen te vangen in de volgende reeks gegevensverzameling, die half april van start gaat. Het resultaat werd eerder deze maand ook gepresenteerd op de Rencontres de Moriond-conferentie in La Thuile, Italië.

Om te zoeken naar kaon-verval, het NA62-team maakt eerst bundels die rijk zijn aan kaonen door hoogenergetische protonen van de Super Proton Synchrotron (SPS)-versneller op een berylliumdoelwit af te vuren. De botsing creëert een straal van bijna een miljard deeltjes per seconde, slechts ongeveer 6% daarvan zijn kaonen. Volgende, het team stuurt de straal door een Cherenkov-detector, die de kaonen positief identificeert van de Cherenkov-straling die ze produceren. Een silicium-pixeldetector bepaalt vervolgens het momentum van de kaonen met een tijdresolutie van 100 picoseconden. Een apparaat genaamd een stro-tracker, geplaatst in de vacuümtank, meet op zijn beurt het momentum van de geladen dochterdeeltjes waarin de kaonen vervallen, en een andere Cherenkov-detector genaamd RICH bepaalt het type deeltjes. Andere apparaten die calorimeters worden genoemd, weigeren ongewenste achtergrondgebeurtenissen met fotonen en muonen.

In hun analyse van gegevens die in de loop van 2016 zijn verzameld, het NA62-team identificeerde een kandidaat-gebeurtenis van het verval van een positief geladen kaon in een positief geladen pion en een neutrino-antineutrino-paar dat onopgemerkt ontsnapt. Het resultaat stelde de onderzoekers in staat om een ​​bovengrens te stellen aan de relatieve frequentie, of "vertakkingsfractie", van het verval van 14 op 10 miljard. Het resultaat is compatibel met de voorspelling van het standaardmodel, dat is 8,4 op 100 miljard (met een onzekerheid van 1), maar er zijn meer gegevens nodig om theorieën te onderzoeken die verder gaan dan het standaardmodel, die afwijkingen van de standaardmodelwaarde voorspellen.

Dit is niet de eerste keer dat hints van dit verval zijn waargenomen. Verschillende kandidaat-gebeurtenissen zijn eerder gemeld door het E949-experiment en zijn voorganger E787 in het Brookhaven National Laboratory in Long Island, New York. Deze kandidaat-gebeurtenissen zijn gebruikt om een ​​vertakkingsfractie af te leiden van 17,3 op 100 miljard (met een onzekerheid van ongeveer 11), die consistent is, binnen grote fouten, met de standaardmodelvoorspelling.

Maar er is een verschil tussen de Brookhaven-experimenten en NA62:terwijl de eerste het kaon-verval waarnam met de deeltjes in rust in een doelwit, NA62 observeert ze terwijl de deeltjes in de vacuümtank vliegen. Deze nieuwe benadering tijdens de vlucht heeft voordelen omdat het veel meer ruimte biedt voor detectie en immuniteit tegen achtergrondgebeurtenissen.

Het NA62-team verwacht meer gebeurtenissen van het zeldzame kaon-verval te identificeren in de lopende analyse van een twintigvoudig grotere dataset die in 2017 is genomen, en het zal medio april opnieuw beginnen met het verzamelen van gegevens voor een recordaantal van 218 dagen. Als alles volgens plan verloopt, de samenwerking zou in staat moeten zijn om de vertakkingsfractie van het verval te meten met een onzekerheid die klein genoeg is om een ​​nauwkeurige test van het standaardmodel te maken.