Wetenschappers die op zoek zijn naar bewijs van nieuwe fysica in deeltjesprocessen die donkere materie en andere mysteries van het universum kunnen verklaren, zijn een stap dichterbij gekomen, met het nieuwe resultaat van het NA62-experiment dat vandaag op CERN is gerapporteerd.

Het experiment, geleid door een internationaal team van wetenschappers, demonstreert een nieuwe techniek die het uiterst zeldzame verval van een subatomair deeltje, een kaon genaamd, vastlegt en meet.

hun resultaten, gepresenteerd op een CERN-seminar op maandag 23 september, laten zien hoe nauwkeurige metingen van dit proces zouden kunnen wijzen op nieuwe fysica, verder dan het standaardmodel dat in de jaren zeventig werd ontwikkeld.

Het standaardmodel wordt nog steeds vaak gebruikt om de fundamentele krachten en bouwstenen van het universum te beschrijven en is een zeer succesvolle theorie, maar er zijn verschillende mysteries van het universum die het standaardmodel niet verklaart, zoals de aard van donkere materie, of de oorsprong van de onbalans tussen materie en antimaterie in het universum. Natuurkundigen hebben gezocht naar uitbreidingen van het standaardmodel die nieuwe deeltjes of interacties kunnen voorspellen die deze verschijnselen kunnen verklaren.

De nieuwe meting werd gedaan in het deeltjesfysica-laboratorium van CERN door een team onder leiding van de Universiteit van Birmingham. Het doel van het experiment, genaamd NA62, is het bestuderen van de subatomaire deeltjes kaonen, met de quark vreemd, en een bepaalde manier waarop ze transformeren in andere soorten deeltjes met een kans van ongeveer 1 op 10 miljard.

Dit proces wordt in detail voorspeld door het Standaard Model met een onzekerheid van minder dan 10 procent, dus elke afwijking van die voorspelling is een opwindend duidelijk teken van nieuwe fysica. Door de datasets van 2016 en 2017 te combineren, het team constateert dat de relatieve frequentie van dit proces maximaal 24,4 per 100 miljard K+-verval zou zijn. Dit gecombineerde resultaat is compatibel met de voorspelling van het standaardmodel en stelt het team in staat grenzen te stellen aan theorieën buiten het standaardmodel die frequenties voorspellen die groter zijn dan deze bovengrens.

"Dit kaon-vervalproces wordt het 'gouden kanaal' genoemd omdat de combinatie van ultrazeldzaam en uitstekend voorspeld is in het standaardmodel. Het is erg moeilijk vast te leggen, en houdt een echte belofte in voor wetenschappers die op zoek zijn naar nieuwe fysica, " legt professor Cristina Lazzeroni uit, Professor in deeltjesfysica aan de Universiteit van Birmingham, en woordvoerder van NA62. "Door een nauwkeurige meting van het verval vast te leggen, kunnen we afwijkingen van de voorspelling van het standaardmodel identificeren. Het nieuwe resultaat heeft nog steeds beperkte statistieken, maar heeft ons al in staat gesteld om beperkingen op te leggen aan enkele nieuwe natuurkundige modellen."

Het experiment vond plaats gedurende drie jaar op de Prevessin-site van CERN, in Frankrijk en omvat ongeveer 200 wetenschappers van 27 instellingen. Het doel was om precies te meten hoe het kaon-deeltje vervalt in een pion en een neutrino-antineutrino-paar met behulp van de protonenbundel van CERN's Super Proton Synchrotron (SPS). De kaonen worden gecreëerd door hoogenergetische protonen van de SPS in een stationair beryllium-doelwit te laten botsen. Dit creëert een bundel secundaire deeltjes die bijna een miljard deeltjes per seconde bevat en verspreidt, ongeveer 6% daarvan zijn kaonen.

Omdat het gemeten proces zo zeldzaam is, het team moest bijzonder voorzichtig zijn om niets te doen dat het resultaat zou kunnen vertekenen. Om die reden, het experiment werd uitgevoerd als een "blinde analyse, Waar natuurkundigen in eerste instantie alleen naar de achtergrond kijken om te controleren of hun begrip van de verschillende bronnen klopt. Pas als ze daarmee tevreden zijn, ze kijken naar het gebied van de gegevens waar het signaal naar verwachting zal zijn. Deze "opening van de blinde doos" vond plaats op 10 september tijdens de Internationale Conferentie over Kaon Physics, KAON2019, gehouden in Perugia, Italië.

Professor Lazzeroni voegde toe:"Dit is een grote stap voorwaarts voor de deeltjesfysica die ons in staat zal stellen nieuwe manieren te verkennen om ons universum te begrijpen. Dit is mogelijk gemaakt door een enorme teaminspanning van alle samenwerkende instituten en de voortdurende steun van CERN."

Het experiment zal verdere gegevens analyseren die in 2018 zijn verzameld en volgend jaar publiceren. Er zijn ook plannen om meer gegevens te verzamelen om de meting vanaf 2021 te verfijnen, wanneer de CERN-SPS weer in bedrijf zal zijn.