Een nieuwe kijk op nieuwe fysica
Nikhef-fysici ontwerpen nieuwe tests voor het Standaardmodel van de deeltjesfysica
Onderzoekers van het FOM-instituut Nikhef en de Vrije Universiteit Amsterdam hebben een nieuwe methode voorgesteld om het Standaardmodel van de deeltjesfysica te testen. Al jaren wordt in precisiestudies naar het zeldzame verval van zeer specifieke deeltjes, zogenaamde Bs-mesonen, naar 'nieuwe fysica' gezocht. Tot nu toe zijn er nog geen minieme afwijkingen van het Standaardmodel gevonden. De onderzoekers hebben nu een nieuwe manier bedacht om in toekomstige metingen van het LHCb-experiment bij CERN verder naar nieuwe fysica te speuren. De resultaten van het onderzoek zijn op 25 juli in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters verschenen.
Precisiestudies van het verval van Bs-mesonen, die bestaan uit een 'beauty'-quark b en een 'strange'-quark s, resulteren in ongeëvenaarde tests van het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Met name het verval naar twee muonen, Bs → μ+μ- , is in dit verband veelbelovend. Zo kunnen er bijvoorbeeld extra Higgs deeltjes bestaan, die een effect kunnen hebben op dit verval. Dit betekent dat dit onderzoek uiteindelijk een vingerafdruk kan laten zien van een ontdekking voorbij het Standaardmodel van de deeltjesfysica.
Het Bs → μ+μ- verval is nog niet waargenomen, maar de meest recente experimentele bovengrens (gemeten door het LHCb-experiment bij CERN) is dat minder dan 1 op de 222 miljoen Bs-mesonen vervalt naar twee muonen, (m.a.w. een bovengrens voor de zogenaamde branching ratio van 4.5 x 10-9). Dit benadert de verwachting van het Standaardmodel dat 1 op de 312 miljoen naar twee muonen vervalt, (een branching ratio van (3.2 ± 0.2) x 10-9). Hierdoor kan al een groot deel van de modellen voor nieuwe fysica uitgesloten worden.
In het artikel wijzen de wetenschappers erop dat het Bs → μ+μ- verval op een nieuwe manier kan worden onderzocht, vanwege een fascinerend kenmerk van de Bs-mesonen: de tijdsafhankelijke oscillaties tussen Bs-mesonen en hun anti-mesonen. Dankzij dit quantum-mechanische fenomeen ontstaat een vervalsbreedte-verschil ΔΓs, die inderdaad recentelijk bij het LHCb-experiment is gemeten. De impact van ΔΓs is tot nu toe nog niet meegenomen in de analyses van het verval. In het artikel wordt er voor het eerst wel rekening mee gehouden. Het blijkt de referentiewaarde van het Standaardmodel van deze branching ratio te verhogen met bijna 10% tot (3.5 ± 0.2) x 10-9 . Bovendien geeft het toegang tot een nieuwe observabele: de effectieve Bs → μ+μ- levensduur die theoretisch zuiver is en extra informatie bevat, naast de branching ratio meting. Als de Bs → μ+μ- branching ratio overeenkomt met de verwachting van het Standaardmodel, dus geen nieuwe fysica laat zien, zou een meting van de levensduur, die haalbaar lijkt met een toekomstige upgrade van het LHCb-experiment, alsnog significante nieuwe fysica-effecten kunnen onthullen.
Het onderzoek is uitgevoerd door een samenwerkingsverband van leden van de onderzoeksgroepen theoretische fysica en LHCb van Nikhef (Nationaal instituut voor subatomaire fysica) en de Vrije Universiteit Amsterdam. De Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) ondersteunen het onderzoek.
Meer informatie
Prof.dr. Robert Fleischer (020) 592 21 72 - Nikhef & Vrije Universiteit Amsterdam
Vanessa Mexner (020) 592 50 75 - Afdeling Wetenschapscommunicatie Nikhef
Referentie
'Probing New Physics via the Bs → μ+μ- Effective Lifetime'
K. de Bruyn, R. Fleischer, R. Knegjens, P. Koppenburg, M. Merk, A. Pellegrino, N. Tuning
http://arXiv.org/abs/arXiv:1204.1737
Phys. Rev. Lett. 109, 041801 (2012)