Is het fundamenteelste deeltje in het universum altijd over het hoofd gezien?
Is het fundamenteelste deeltje in het universum altijd over het hoofd gezien? Komende week kan de wereld opgeschud worden, als natuurkundigen in Seoul hun resultaten bekendmaken. Leptoquark, onthoud dat woord.
Komende woensdag – 4 juli – is het alweer zes jaar geleden dat deeltjeslab CERN in Genève de ontdekking bekendmaakte van het befaamde higgsdeeltje, het deeltje dat alle andere deeltjes hun massa’s bezorgt. Drie hectische decennia was er naar die sluitsteen van de deeltjestheorie gezocht, met steeds grotere versnellers en detectoren. Speurend naar de bouwstenen van alles om ons heen, waarbij de wereld een kosmische baboesjka blijkt: deeltjes die uit kleinere deeltje bestaan die weer uit kleinere deeltjes bestaan. Ver weg van alles wat we voelen, ruiken en zien. Maar het fundament van het bestaan.
En toen hadden de zogeheten Atlas- en CMS-detectoren tussen de botsende protonen in de reusachtige Geneefse LHC-deeltjesversneller (Large Hadron Collider) voldoende signalen verzameld voor zijn daadwerkelijke bestaan. Daarmee, luidde de suggestie destijds in veel media, was de natuurkunde van de kleinste deeltjes wel zo ongeveer klaar.
In zekere zin is dat zo. Alle bouwstenen van de materie en hun interacties waren met de vondst van ‘de Higgs’ bekend, de blokkendoos van Moeder Natuur was inderdaad compleet. Daarin zitten in totaal zeventien blokken. Vier daarvan vormen alle gewone materie: het elektron, het elektron-neutrino, de up- en de downquark. Alle atomen kennen een kern met daaromheen rondzoevende elektronen; de kern zelf bestaat uit protonen en neutronen, die op hun beurt zijn opgebouwd uit een specifieke combinatie van drie up- en downquarks. Vier bemiddelaars regelen de relaties tussen de vier bouwstenen.
Komende week kan de wereld opgeschud worden, als natuurkundigen in Seoul hun resultaten bekendmaken. Leptoquark, onthoud dat woord
Tot zover de gewone materie. Maar er is meer. Bij proeven met botsende materiedeeltjes blijken ook exotische deeltjes te ontstaan, waarin andere quarks de dienst uitmaken: zwaardere elektronachtige deeltjes en andere neutrino’s. De gewone materie is maar één versie van drie mogelijke soorten deeltjesfamilies. Die generaties lijken in veel opzichten een perfecte kopie, op één verschil na: hun massa’s verschillen enorm. In de derde familie zijn de leden gemakkelijk honderdduizend keer zwaarder dan in de eerste.
Het is vooralsnog een fundamenteel raadsel waarom er kopieën van de bouwblokken bestaan die alleen verschillen in hun massa. En wie beter naar diezelfde blokkendoos kijkt, ziet ook andere duizelingwekkende raadsels. Zo zijn er wel drie families van telkens vier basisbouwstenen. Maar in deze families is het familiegevoel ver te zoeken. Het elektron en dito neutrino (samen de leptonen genoemd, naar het Grieks voor ‘lichtvoetig’) bijvoorbeeld zien de twee bijbehorende quarks niet eens. In de volgende, zwaardere generaties geldt steeds hetzelfde: de twee quarks hebben niks met de twee leptonen in die familie. Waarom ze dan wel familie zijn, weet eigenlijk niemand. Waarom ze twee aan twee zijn evenmin.
Maar natuurkundigen zouden geen natuurkundigen zijn als ze niet ook die raadselachtige familieverbanden zouden willen verklaren. Is het toeval? Zijn de lichte families ontstaan toen de zware uit elkaar vielen? Wat zien we over het hoofd?
Drie stappen
In de bouwdoos van het universum zitten drie kopieën van de basisfamilie, die alleen lijken te verschillen in hoe zwaar de leden zijn. Waarom niet één? Niemand die dat echt weet. Maar als de oerknal met alleen leptoquarks begon zou de schepping een vorm van trial and error kunnen zijn, aftastend tot er iets stabiels ontstond. Daarbij baarden, in de simpelste versie van het verhaal, de leptoquarks eerst de zwaarste familie van de topquark en het tau-deeltje. Die bleken echter toch instabiel en vervielen in een tweede poging naar de lichtere familie van de charmquark en het meson. Toen ook die nog te zwaar bleken, vervielen ze naar de familie van het elektron en de up- en downquarks. Die bleken wél stabiel en wisten een heelal vol gassen, sterren, planeten en leven te boetseren. Dat overzichtelijke verhaal, zeggen de experts, is intussen overigens al te simpel gebleken. De dans van de deeltjes blijkt gecompliceerder en nog steeds amper doorgrond.
Het antwoord op die vraag zou heel dichtbij kunnen zijn. Komende week vindt in de Zuid-Koreaanse hoofdstad Seoul de tweejaarlijkse deeltjesconferentie ICHEP plaats. Duizenden fysici verzamelen zich daar een week lang voor presentaties van nieuwe resultaten van botsingsexperimenten en discussies over de interpretatie ervan. Hoogtepunt in Seoul is volgens kenners nu al de presentatie van de resultaten van het LHCb-experiment op CERN, een van de vier detectoren in de immense ondergrondse protonenbotser LHC. Als er op de wereld één experiment is dat iets kan zeggen over een onderliggende ordening in de blokkendoos van het universum, is dit het wel.
In de deels door Nederland gebouwde en gerunde LHCb (de b staat voor beauty) gebeurt in principe wat alle detectoren in de LHC-versneller doen: protonen worden met vrijwel de lichtsnelheid op elkaar geschoten, waarna gevoelige meetapparatuur de nasleep van de botsing secuur in beeld brengt. Alleen is de relatief kleine LHCb niet per se op zoek naar nieuwe deeltjes; hij speurt vooral naar subtiele afwijkingen van wat de standaard deeltjestheorie voorspelt. Zo subtiel, dat wetenschappers nog steeds twijfelen of en wanneer ze met nieuwe resultaten naar buiten komen, zeker als er iets groots op het spel staat. Of het experiment komende week in Zuid-Korea de deeltjeswereld wellicht op zijn kop gaat zetten, is nog steeds niet beslist, zeggen insiders.
Lees verder onder de foto.
De LHCb – een immense trechtervormige detector rond een van de botsingspunten in de LHC – kijkt onder meer met zo groot mogelijke precisie naar processen waarbij uit zware exotische deeltjes die gevormd worden, zogeheten B-mesonen, soms twee elektronen ontstaan en soms twee muonen. Volgens de simpelste versie van het deeltjesmodel is het muon een zwaardere kopie van het elektron, maar zouden alle essentiële fysische processen verder toch hetzelfde moeten verlopen. De reden daarvoor is dat de vervalprocessen alleen iets met de quarks te maken hebben, waar de leptonen niks mee hebben. Een principe dat theoretici lepton-universaliteit noemen.
Maar de LHCb-metingen geven al jaren kleine hints dat er iets mis is met deze keurige lepton-universaliteit. En dat elektronen en muonen ergens diep van binnen toch net iets anders met quarks omgaan.
Veel van die minieme afwijkingen kunnen nog steeds meetfouten zijn, kleine statistische variaties die in de deeltjesfysica onvermijdelijk zijn. Bovendien lijkt op dit subtiele niveau alles met alles samen te hangen. Eindeloos doormeten is daarbij de belangrijkste remedie. Statistiek maken, noemen de experimentatoren dat, en dit gebeurt dus ook. Naast LCHb zijn er ook B-meson-experimenten in onder meer China. En ook in de grote CERN-detectoren CMS en Atlas, die op andere manieren eveneens zoeken naar aanwijzingen voor diepere familierelaties tussen quarks en leptonen.
Over wat er aan de hand zou kunnen zijn, schrijven theoretici stapels artikelen, allemaal met hun eigen aannames en modellen. Een van de belangrijkste ideeën is dat onder de blokkendoos van het standaardmodel een wereld schuilgaat van deeltjes die in essentie zowel lepton als quark zijn. Deze leptoquarks, zo is het idee, zijn instabiel en vervallen naar quarks óf leptonen. Maar ooit, misschien in of vlak na de oerknal, waren zij de enige deeltjes die het prille universum vulden. Waarna ze uit elkaar vielen in steeds lichtere deeltjesfamilies. De leptoquark zou, als hij bestaat, het best bewaarde geheim van de schepping zijn.
Wat de CERN-researchers ook bekendmaken in Seoul, het zal niet de ontdekking van leptoquarks zélf zijn. Daarvoor is de versneller in Genève op geen enkele manier toegerust
Wat de CERN-researchers ook bekendmaken in Seoul, het zal niet de ontdekking van leptoquarks zélf zijn. Daarvoor is de versneller in Genève op geen enkele manier toegerust. In theorie moet de leptoquark nog veel zwaarder zijn dan de topquark, het zwaarste elementaire deeltje dat we kennen. De productie daarvan vergt het uiterste van de LHC-versneller; alle energie van de protonen moet dan precies op de goede manier bij elkaar komen. Zeker detectoren als Atlas en CMS kunnen onmogelijk verder kijken dan de topquark en het higgsdeeltje, dat trouwens relatief licht blijkt te zijn.
Het was dan ook niet echt verrassend dat fysici van de CMS-detector onlangs meldden, na een speurtocht naar het ontstaan van tau-deeltjes en bottomquarks uit een eventuele leptoquark: niks te zien.
Maar LHCb heeft wel een interessante troefkaart, die berust op de wonderen van de quantumwereld, waar alles onbepaald is. Door die vaagheid kunnen deeltjes die strikt genomen te zwaar zijn om te maken, soms toch even bestaan, voor ze weer verdwijnen. Tijdens die kortstondige verdwijntruc kunnen ze in zeldzame gevallen invloed uitoefenen op de processen die de detector wél goed kan zien. Ongeveer alsof achter een gordijn nu en dan wat veelzeggend geschuifel te horen is – van de moeder aller deeltjes, de leptoquark, die eindelijk de familieverbanden in de schepping kan ophelderen.
Met dank aan Ivo van Vulpen en Marcel Merk (Nikhef) en Freya Blekman (VU Brussel).