Muon gedraagt zich toch best normaal – of is er meer aan de hand?

Jean-Paul Keulen

29-12-2022 15:00:00

muon

Vervallend B-deeltje in LHCb. Beeld: LHCb/CERN

Een verrassend resultaat uit de deeltjesfysica lijkt te zijn afgeserveerd. Toch zijn er nog openstaande vragen.

Het gold als een van de interessantste resultaten binnen de deeltjesfysica sinds de ontdekking van het higgsdeeltje: het feit dat er bij het verval van bepaalde deeltjes minder vaak muonen ontstaan dan je zou verwachten. Zou die afwijking van onze huidige deeltjestheorie, blootgelegd met het deeltjesexperiment LHCb, wijzen op het bestaan van nieuwe deeltjes of nieuwe natuurkrachten?

Terwijl theoretici enthousiast alle mogelijke oorzaken voor zo’n afwijking verkenden, ging het LHCb-team verder met het analyseren van data. En eerder deze maand maakten ze bekend: er is bij nader inzien toch geen verschil tussen hoe vaak er bij een verval muonen ontstaan, en hoe vaak hun lichtere broertjes opduiken, de bekendere elektronen.

Precies zoals de deeltjestheorie voorschrijft, dus? Niet per se.

Jarenlang overeind gebleven

Even een stap terug. Waar het bij deze metingen om gaat, zijn zogenoemde B-deeltjes. Die kunnen veranderen in andere deeltjes via een proces waarbij nóg twee deeltjes ontstaan. Dat kunnen twee elektronen zijn (de deeltjes die rond atoomkernen zwermen) of twee muonen (die tweehonderd keer zo zwaar zijn als elektronen, maar in alle andere opzichten identiek). En in principe zou je elk van beide mogelijkheden even vaak moeten zien.

‘Maar is dat ook echt wat er gebeurt?’, vroeg theoretisch natuurkundige Gudrun Hiller zich in 2003 af. Een vraag die goed te beantwoorden bleek met het al genoemde experiment LHCb. En dat kwam, tot zowat ieders verbazing, in 2014 met het antwoord ‘nee’ op de proppen. Bij een verval van een B-deeltje ontstonden er minder vaak twee muonen dan twee elektronen, zo leek het. Een resultaat dat in de jaren daarna overeind bleef en steeds moeilijker te negeren werd. Theoretici kwamen dan ook met tal van mogelijke verklaringen op de proppen.

Op het verkeerde been

Nu lijkt het LHCb-team zelf echter hun eerdere resultaten onderuit te halen. In hun nieuwste analyse ontstaan er bij het verval van een B-deeltje even vaak twee elektronen als twee muonen. Zoals je zou verwachten op grond van het standaardmodel van de deeltjesfysica, onze huidige deeltjestheorie.

Waar hem dat eerdere verschil in zat: sommige deeltjes die ontstonden in het experiment, zijn bij eerdere analyses ten onrechte aangezien voor elektronen. En daardoor léék het alsof er vaker elektronen dan muonen ontstonden bij het verval in kwestie.

Theoreticus Gino Isidori van de Universiteit van Zurich, die er in 2021 nog redelijk van overtuigd was dat het LHCb-resultaat niet zomaar zou verdwijnen, zegt nu: “Ik had niet verwacht dat er dit soort serieuze problemen waren bij deze specifieke metingen. Dat heeft mij, en vele anderen, op het verkeerde been gezet. Maar zo gaat dat in de wetenschap.”

Nieuw mysterie

De vraag is alleen: is daarmee alles opgelost? Wie de berichtgeving van het Europese deeltjesinstituut CERN leest, zou denken van wel. “LHCb brengt leptonen terug in het gareel”, is bijvoorbeeld de kop boven het persbericht over de nieuwe resultaten. (Leptonen is de groep deeltjes waar zowel elektronen als muonen onder vallen.) En op de LHCb-pagina: “De resultaten stroken met het standaardmodel.”

De wetenschappers van het Nederlandse instituut Nikhef, betrokken bij LHCb, kiezen echter een ander pad. In hun toelichting wijzen de wetenschappers erop dat het tekort aan muonen niet is opgelost doordat er meer muonen zijn gevonden, maar doordat er elektronen zijn ‘weggestreept’ die toch iets anders bleken te zijn. Feitelijk betekent dit dat er dus van béíde soorten deeltjes te weinig ontstaan als er B-deeltjes vervallen.

“Als de metingen van de muonen waren opgeschoven naar de standaardmodelwaarde, dan was dit het einde geweest van onze voorzichtige opwinding”, zegt LHCb-wetenschapper Patrick Koppenburg in het Nikhef-bericht. “Dan zou er geen anomalie zijn. Maar nu zien we dat ook de elektronen afwijken van de standaardwaarde – en dat is een nieuw mysterie.”

Halfvol of half leeg?

Gudrun Hiller, die dit type metingen bijna twintig jaar geleden op de kaart zette, zegt: “Je kunt het glas als half leeg of halfvol zien. Half leeg omdat de meest duidelijke meting van een verschil tussen elektronen en muonen nu is verdwenen. Halfvol omdat er ook andere muon-anomalieën zijn gemeten, die wél nog overeind staan.”

Kortom: het wachten is toch op nieuwe analyses, liefst ook van andere experimenten dan LHCb, zoals het Japanse Belle II. Wie weet wordt dan alsnog duidelijk hoe het nu precies zit – en of het standaardmodel inderdaad helemaal overeind blijft, of dat de betreffende metingen tóch de weg wijzen naar nieuwe natuurkunde in de een of andere vorm.

Meer over de verschillende afwijkingen rond muonen en waar die op zouden kunnen duiden, lees je in dit artikel, te vinden in KIJK 11/2021.

Bronnen: CERN, CERN Courier, LHCb, Nikhef, Big Think

Beeld: LHCb/CERN

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE






Meer Nieuws