Natuurkundigen hebben bewezen dat een subatomair deeltje kan overschakelen naar zijn antideeltjes-alter-ego en weer terug, in een nieuwe ontdekking die vandaag is onthuld.

De buitengewoon nauwkeurige meting werd gedaan door Britse onderzoekers met behulp van het Large Hadron Collider beauty (LHCb) -experiment bij CERN.

Het heeft het eerste bewijs geleverd dat charmemesonen kunnen veranderen in hun antideeltje en weer terug.

Mengfenomeen

Al meer dan 10 jaar, wetenschappers weten dat charme mesonen, subatomaire deeltjes die een quark en een antiquark bevatten, kunnen reizen als een mengsel van hun deeltjes- en antideeltjestoestanden.

Het is een fenomeen dat mengen wordt genoemd.

Echter, dit nieuwe resultaat laat voor het eerst zien dat ze tussen de twee toestanden kunnen oscilleren.

Grote natuurkundige vragen aanpakken

Gewapend met dit nieuwe bewijs, wetenschappers kunnen proberen enkele van de grootste vragen in de natuurkunde aan te pakken over hoe deeltjes zich buiten het standaardmodel gedragen.

een wezen, of deze overgangen worden veroorzaakt door onbekende deeltjes die niet worden voorspeld door de leidende theorie.

Het onderzoek, voorgelegd aan Fysieke beoordelingsbrieven en beschikbaar op arXiv, ontving financiering van de Science and Technology Facilities Council (STFC).

Het een en het ander zijn

In de vreemde wereld van de kwantumfysica, het charmemeson kan zichzelf en zijn antideeltje tegelijk zijn.

deze staat, bekend als kwantumsuperpositie, resulteert in twee deeltjes met elk hun eigen massa - een zwaardere en lichtere versie van het deeltje.

Door deze superpositie kan het charmemeson in zijn antideeltje oscilleren en weer terug.

massaverschillen

Met behulp van gegevens verzameld tijdens de tweede run van de Large Hadron Collider (LHC), onderzoekers van de Universiteit van Oxford maten een verschil in massa tussen de twee deeltjes.

Er was een verschil van 0,00000000000000000000000000000000000001 gram—of in wetenschappelijke notatie 1×10 ^-38 G.

Een meting van deze precisie en zekerheid is alleen mogelijk wanneer het fenomeen vele malen wordt waargenomen.

Dit is alleen mogelijk omdat er veel charmemesonen worden geproduceerd in LHC-botsingen.

Omdat de meting uiterst nauwkeurig is, het onderzoeksteam zorgde ervoor dat de analysemethode nog beter was.

Een nieuwe techniek

Om dit te doen, het team gebruikte een nieuwe techniek die oorspronkelijk was ontwikkeld door collega's van de Universiteit van Warwick.

Er zijn slechts vier soorten deeltjes in het standaardmodel, de theorie die deeltjesfysica verklaart, die in hun antideeltje kunnen veranderen.

Het vermengingsfenomeen werd voor het eerst waargenomen in Strange mesons in de jaren zestig en in beauty mesons in de jaren tachtig.

Tot nu, de enige andere van de vier deeltjes die op deze manier oscilleert, is het meson van vreemde schoonheid, een meting in 2006.

Een zeldzaam fenomeen

Professor Guy Wilkinson aan de Universiteit van Oxford, wiens groep heeft bijgedragen aan de analyse, zei:

"Wat deze ontdekking van oscillatie in het charme-mesondeeltje zo indrukwekkend maakt, is dat, in tegenstelling tot de schoonheidsmesonen, de oscillatie is erg traag en daarom extreem moeilijk te meten binnen de tijd die het meson nodig heeft om te vervallen. Dit resultaat laat zien dat de oscillaties zo langzaam zijn dat de overgrote meerderheid van de deeltjes zal vervallen voordat ze de kans krijgen om te oscilleren. Echter, we kunnen dit bevestigen als een ontdekking omdat LHCb zoveel gegevens heeft verzameld."

Professor Tim Gershon aan de Universiteit van Warwick, ontwikkelaar van de analytische techniek die wordt gebruikt om de meting uit te voeren, zei:"Charme-mesondeeltjes worden geproduceerd in proton-protonbotsingen en ze reizen gemiddeld slechts enkele millimeters voordat ze transformeren, of rottend, in andere deeltjes. Door de charme-mesondeeltjes te vergelijken die na een korte afstand afsterven met die die iets verder reizen, we hebben de sleutelhoeveelheid kunnen meten die de snelheid van de charm-meson-oscillatie regelt in anti-charm-meson - het verschil in massa tussen de zwaardere en lichtere versies van charm-meson."

Er gaat een nieuwe deur open voor natuurkundig onderzoek

Deze ontdekking van charme-mesonoscillatie opent een nieuwe en opwindende fase van natuurkundig onderzoek.

Onderzoekers willen nu het oscillatieproces zelf begrijpen, mogelijk een grote stap voorwaarts in het oplossen van het mysterie van de asymmetrie tussen materie en antimaterie.

Een belangrijk gebied om te onderzoeken is of de snelheid van deeltjes-antideeltje-overgangen hetzelfde is als die van antideeltje-deeltje-overgangen.

En specifiek, of de overgangen worden beïnvloed of veroorzaakt door onbekende deeltjes die niet worden voorspeld door het standaardmodel.

Kleine afmetingen vertellen grote dingen

Dr. Mark Williams aan de Universiteit van Edinburgh, die de LHCb Charm Physics Group heeft bijeengeroepen waarbinnen het onderzoek is uitgevoerd, zei:"Kleine metingen zoals deze kunnen je grote dingen over het heelal vertellen die je niet had verwacht."

Het resultaat, 1×10-38g, overschrijdt het 'vijf sigma'-niveau van statistische significantie dat nodig is om een ​​ontdekking in de deeltjesfysica te claimen.

Verdere informatie

LHCb is een van de vier grote experimenten bij de LHC bij CERN in Genève, en is ontworpen om het verval te bestuderen van deeltjes die een beauty-quark bevatten.

Het primaire doel van LHCb is het onderzoeken van materie-antimaterie-asymmetrie of 'CP-schending'.

Na de oerknal, materie en antimaterie zijn in gelijke hoeveelheden ontstaan, maar als ze elkaar ontmoeten vernietigen ze elkaar.

Omdat we leven in een universum dat wordt gedomineerd door materie, er moet een subtiel verschil zijn tussen materie en antimaterie waardoor materie kan overleven.

Mesonen maken deel uit van de grote klasse van deeltjes die bestaat uit fundamentele deeltjes die quarks worden genoemd, en bevatten één quark en één antimaterie-quark.

Het D0-meson bestaat uit een charm-quark en een up-antiquark, en zijn antideeltje, de anti-D0, bestaat uit een charm-antiquark en een up-quark.

Deze meting is gedaan met behulp van LHCb's Vertex Locator (VELO) subdetector.