De CMS-detector. Op dit moment, december 2020, worden de vele terabytes aan data uit dit experiment nog steeds gebruikt. Bron: CERN

Leptoquark: massa leptoquarks begrensd door CERN

Mogelijk bestaan er deeltjes die quarks in leptonen kunnen omzetten en andersom: de leptoquarks. Wat is een leptoquark?

Leptoquark: Quarks en leptonen

Alle stabiele, bekende (baryonische) materie bestaat uit quarks en leptonen. Om precies te zijn: de lichtste versies hiervan, de “eerste generatie”. Dit zijn het elektron en de up- en downquark. De tweede generatie zijn muon en charm/strange quarks. De derde, zwaarste generatie bestaat uit het tauon en top/bottom quarks. De tweede en derde generaties leven erg kort en komen, voor zover we weten, alleen in deeltjesversnellers en kosmische straling voor. Protonen bestaan uit twee up-quarks en een down-quark; neutronen bestaan uit één up-quark en twee down-quarks. Hieronder een handig overzichtje van alle deeltjes in het Standaardmodel. Elektron-, muon- en tauneutrino zijn vrijwel massaloos.

Alle elementaire deeltjes volgens het Standaardmodel. Maakt het leptoquark het compleet? Bron: wikimedia Commons
Alle elementaire deeltjes volgens het Standaardmodel. Maakt de leptoquark het compleet? Bron: Wikimedia Commons

Quarks hebben een merkwaardige lading. Up-quarks +2/3, down-quarks -1/3. Merkwaardig, omdat elektronen wél een gehele lading hebben: -1. Zouden er nog fundamentelere deeltjes dan elektronen bestaan? Deze vraag inspireerde de bedenkers van het leptoquark model. Maar wat zijn leptoquarks precies?

To be or not to be: bestaan leptoquarks?

Natuurkundigen zijn altijd op zoek naar eenvoud. Het Standaardmodel (SM) kan in theorie een stuk simpeler. Bijvoorbeeld, als de quarks en leptonen in elkaar omgezet zouden kunnen worden. Dit met een extreem zwaar boodschapperdeeltje. Dit deeltje moet dan het baryongetal en leptongetal kunnen veranderen: het leptoquark. Eén ding weten we: dit hypothetische deeltje moet een stuk zwaarder zijn dan alle eerder ontdekte deeltjes. De massa moet minimaal een TeV/c^2 zijn. M.a.w. minstens duizend maal zo zwaar zijn als een proton. Dit ligt boven het maximale vermogen van de CERN deeltjesversneller. Anders hadden we dit deeltje nu al ontdekt.

Als een leptoquark uit elkaar valt, gebeurt dit in een lepton en een quark. De theorieën met leptoquarks verzamelden tot nu toe stof in de la. Maar nu wordt dat anders, want de metingen kloppen niet meer met het SM. De spanning stijgt daarom.

e bij diverse experimenten gemeten vervalverhouding wijkt af van die door het Standaardmodel wordt voorspeld. Kunnen leptoquarks dit verklaren? Bron: [2]
De bij diverse experimenten gemeten vervalverhouding wijkt af van die door het Standaardmodel (SM) wordt voorspeld. Kunnen leptoquarks dit verklaren? Bron: [2]

Onverklaarbare b-meson anomalieën veroorzaakt door het leptoquark?

Het Standaardmodel voorspelt de interactie links, door de uitwisseling van een W- -boson. Maar de experimentele uitkomsten wijzen op een nog onbekend deeltje, mogelijk een variant van het Higgsdeeltje en de W- en Z- deeltjes (midden) of het leptoquark (hier aangegeven met LQ, rechts).  Bestaan leptoquarks? Bron: CERN [2]
Het Standaardmodel voorspelt de interactie links, door de uitwisseling van een W boson. Maar de experimentele uitkomsten wijzen op een nog onbekend deeltje, mogelijk een variant van het Higgsdeeltje en van de W- en Z- deeltjes (midden) of het leptoquark (hier aangegeven met LQ, rechts). Bestaan leptoquarks? Bron: CERN [2]

Metingen aan het vervalproces van b-mesons wijken af van de voorspellingen van het Standaardmodel. Deze afwijkingen zijn vrij fors, maar nog niet betrouwbaar genoeg vastgesteld (met zes sigma). Daarom houden de onderzoekers van het CERN nog een slag om de arm. Dit is ook de enige plek, waar de gemeten waarden afwijken van de voorspelling van het Standaardmodel. Geen wonder dat de spanning stijgt. Zijn we nu nieuwe natuurkunde op het spoor?

Geen leptoquarks gevonden, wel ondergrens massa bepaald

De Large Hadron Collider heeft de afgelopen jaren enorm veel data opgeleverd waar nu tal van analyses op losgelaten worden. Het Compact Muon Solenoid (CMS)-team zocht naar leptoquarks van de derde generatie in een datamonster van proton-protonbotsingen. Dit monster is afkomstig uit de data van botsingen van de Large Hadron Collider (LHC) met een energie van 13 TeV. Deze werden geregistreerd door het CMS-experiment tussen 2016 en 2018. [2]

Specifiek zocht het team naar paren leptoquarks die veranderen in een top-down quark en een tauon of tau neutrino, evenals naar ‘losse’ leptoquarks die samen met een tau neutrino worden geproduceerd en transformeren in een top quark en een tauon. De CMS-onderzoekers vonden geen enkele aanwijzing dat dergelijke leptoquarks bij de botsingen werden geproduceerd. [3]

De CMS-detector. Op dit moment, december 2020, worden de vele terabytes aan data uit dit experiment nog steeds gebruikt. Bron: CERN

Ze waren echter wél in staat om ondergrenzen aan hun massa te stellen. Als leptoquarks van de derde generatie bestaan, zijn ze minstens 0,98–1,73 TeV/c^2 in massa.[3] Dit is dan weer afhankelijk van hun spin en de sterkte van hun wisselwerking met een quark en een lepton. Deze grenzen zijn enkele van de strengste tot nu toe voor leptoquarks van de derde generatie. Dankzij deze grenzen kan een deel van het leptoquark massabereik dat de B-meson anomalieën zou kunnen verklaren, worden uitgesloten. Met hierbij alle theorieën die het bestaan van deze lichtere leptoquarks vereisen.

Goed nieuws: voorlopig blijven we nog bestaan

Dat is goed nieuws, althans als deze hoge massa ook voor eerste-generatie leptoquarks geldt. Want hoe zwaarder het leptoquark, hoe kleiner de kans dat het spontaan ontstaat uit het vacuüm en een proton uit elkaar laat vallen. Dus blijven protonen nog quadriljoenen jaren stabiel. En aangezien wij voor een groot deel uit protonen bestaan, is dat best wel een geruststellende gedachte…

Bronnen
1. CMS sets new bounds on the mass of leptoquarks, CERN, 2020
2. The flavour of new physics, CERN Courier, 2019
3. Search for singly and pair-produced leptoquarks coupling to third-generation fermions in proton-proton collisions at s√= 13 TeV, CERN (ingezonden aan Physical Review Letters B)

1 reactie op “Leptoquark: massa leptoquarks begrensd door CERN”

  1. Virtuele deeltjes, hele zware deeltjes die een hele korte tijd leven om energie over te dragen. Het lijkt mij sowieso waanzin. Alle massa zit hem in de energie. Sinds men die weg heeft ingeslagen heeft men getracht de thermodynamische wetten te omzeilen.

    Wel ironisch dat we deeltjes met lading als eerste herkennen, maar de deeltjes die heel zwaar zijn niet omdat ze nagenoeg lading loos zijn en kortlevend. Desalniettemin is het een aanwijzing dat er meer is met zwaarte dan we denken.

Laat een reactie achter