Elektronen met 'collega's' - andere leptonen - zijn een van de vele producten van botsingen die zijn waargenomen in het LHCb-experiment bij de Large Hadron Collider. Volgens theoretici, sommige van deze deeltjes kunnen ontstaan ​​in processen die verder gaan dan de standaardfysica. De laatste analyse verifieert deze voorspellingen.

Verbergen de anomalieën die zijn waargenomen in het LHCb-experiment in het verval van B-mesonen tot nu toe onbekende deeltjes van buiten het momenteel geldige en goed geteste standaardmodel? Om deze vraag te beantwoorden, natuurkundigen zoeken niet alleen naar verdere tekenen van het bestaan ​​van nieuwe deeltjes, maar ook voor sporen van de verschijnselen die daarbij kunnen optreden. Een van de processen die worden voorgesteld door theoretici die verder gaan dan de wereld van de bekende natuurkunde, is het breken van het principe van het behoud van de lepton-smaak. Dit hypothetische fenomeen stond in het middelpunt van de belangstelling van een internationale groep onderzoekers, waaronder vertegenwoordigers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, Technische Universität in Dortmund (TUD) en Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Parijs. Ze hebben bijzondere aandacht besteed aan de analyse van gegevens die in 2011-12 zijn verzameld tijdens protonbotsingen als onderdeel van het LHCb-experiment bij de Large Hadron Collider bij CERN bij Genève. Hun resultaten worden besproken in de prestigieuze Fysieke beoordelingsbrieven .

Dankzij tientallen jaren van experimenten en metingen uitgevoerd door kernfysici en kosmische stralingsonderzoekers, het is bekend dat materiedeeltjes zijn verdeeld in twee volledig onafhankelijke families:quarks en leptonen (met hun antimaterie-tegenhangers). Quarks (omhoog, omlaag, charme, vreemd, boven en onder) verschijnen altijd in groepen. Stelsels van twee quarks staan ​​bekend als mesonen, die bestaande uit drie quarks zijn baryonen. Deze laatste omvatten protonen en neutronen, de deeltjes waaruit atoomkernen zijn opgebouwd. Beurtelings, leptonen omvatten elektronen, muonen, tau-deeltjes en hun corresponderende neutrino's.

"De eigenschappen van leptonen en quarks verschillen fundamenteel. beide groepen deeltjes worden beschreven met behulp van sets van verschillende getallen, kwantumgetallen genoemd. Een van de kwantumgetallen die worden gebruikt om leptonen te beschrijven, is het leptongetal. Bijvoorbeeld, elk elektron heeft een elektronengetal van 1. antimaterie tegenhangers van elektronen, d.w.z. positronen, een elektronengetal van -1 hebben, " legt Dr. Jihyun Bhom (IFJ PAN) uit, de hoofdauteur van de analyse. "Zo komen we bij het belangrijkste fenomeen om de betekenis van ons werk uit te leggen. Onder het standaardmodel, het principe van behoud van het leptongetal is van toepassing. Er staat dat de som van de leptonaantallen van deeltjes aan het begin en einde van het proces altijd hetzelfde moet zijn."

De eis om het leptongetal te behouden betekent dat als, bijvoorbeeld, twee elektronen met een totaal aantal elektronen van twee nemen deel aan een interactie, aan het einde van het proces zal dit aantal ook twee zijn. In het gepresenteerde voorbeeld onder het standaardmodel is het mogelijk om zowel twee elektronen als vier elektronen en twee positronen te produceren, enzovoort.

Zowel leptonen als quarks kunnen worden onderverdeeld in drie groepen die generaties worden genoemd. Het bestaan ​​van hetzelfde aantal generaties leptonen en quarks bracht theoretici ertoe te veronderstellen dat met voldoende hoge energie, leptonen en quarks kunnen 'samensmelten' tot leptoquarks, hypothetische deeltjes met de kenmerken van zowel leptonen als quarks. Als ze bestonden, leptoquarks zouden onstabiele deeltjes moeten zijn met zeer hoge massa's, zelfs vergelijkbaar met de massa van een hele loden kern.

"In processen waarbij leptoquarks betrokken zijn, lepton-nummers worden niet bewaard. De detectie van sporen van fenomenen waarbij het principe van behoud van het leptongetal werd geschonden, zou daarom een ​​belangrijke stap zijn op weg naar de detectie van deeltjes buiten het Standaardmodel. Vooral, het zou het voor ons gemakkelijker maken om de aard van de anomalieën te interpreteren die de laatste tijd steeds duidelijker zichtbaar zijn in gegevens van het verval van B-mesonen, d.w.z. deeltjes die de down-quark en de bottom-quark bevatten, " zegt dr. Bhom.

In de laatste statistische analyses bleek het nodig om kunstmatige intelligentie te gebruiken - en niet slechts één.

"We waren geïnteresseerd in het verval van het B-meson dat leidde tot de vorming van het K-meson, een muon en een elektron. Echter, het is gewoon zo dat onder het standaardmodel, een aanzienlijk deel van het B-mesonverval leidt tot exact dezelfde producten met toevoeging van neutrino's (de laatste kan niet worden geregistreerd). Deze enorme achtergrond moest heel precies uit de verzamelde data worden geëlimineerd. Eén kunstmatige intelligentie was verantwoordelijk voor deze taak. De tweede bleek nodig om achtergrondresten te verwijderen die door de eerste gingen, " legt Dr. Bhom uit.

Ondanks het gebruik van geavanceerde wiskundige hulpmiddelen, de onderzoekers van IFJ PAN, TUD en CNRS slaagden er niet in sporen van fenomenen te detecteren die het behoud van het leptongetal verbreken. Echter, elke wolk heeft een zilveren randje.

"Met een zekerheid tot 95% hebben we de bestaande beperkingen op de oplossingen die door theoretici worden gepresenteerd om de aanwezigheid van anomalieën in het verval van B-mesonen te verklaren met een hele orde van grootte verbeterd. Als resultaat, we zijn de eersten die het gebied van het zoeken naar theorieën die het bestaan ​​van deze anomalieën verklaren aanzienlijk hebben verkleind met behulp van nieuwe fysica, " benadrukt Dr. Bhom.

Als ze bestaan, processen die het principe van het behoud van het leptongetal doorbreken, komen duidelijk veel minder vaak voor dan zou kunnen worden voorspeld door de meest populaire uitbreidingen van het standaardmodel met leptoquarks. Bovendien, anomalieën in het verval van B-mesonen zelf hoeven niet geassocieerd te worden met nieuwe deeltjes. De mogelijkheid kan nog steeds niet worden uitgesloten dat het artefacten zijn van meettechnieken, de gebruikte wiskundige hulpmiddelen of het resultaat van het niet in aanmerking nemen van een fenomeen dat zich voordoet binnen de momenteel bekende fysica. Men kan alleen maar hopen dat de daaropvolgende, reeds gestarte analyses, rekening houdend met de meest recente gegevens verzameld bij de LHC, zal binnen een paar jaar eindelijk twijfels over het bestaan ​​van fysica buiten het standaardmodel wegnemen.