deeltjesfysica Archieven

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

1 reactie / Ideeën / Door Germen Roding / 10 januari 2021 10 januari 2021

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]

Ze waren echter wél in staat om ondergrenzen aan hun massa te stellen. Als leptoquarks van de derde generatie bestaan, zijn ze minstens 0,98â€“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 sâˆš= 13 TeV, CERN (ingezonden aan Physical Review Letters B)

Extreem energierijke botsingen, zoals deze waarbij een Higgsdeeltje betrokken was, zijn veel te sterk om lichte deeltjes te kunnen vinden, Bron: Wikimedia Commons/Lucas Taylor (CERN)

Sterke aanwijzing voor bestaan donkere bosonen ontdekt

Laat een reactie achter / natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 11 december 2020 7 december 2020

Er is naar schatting ongeveer vier maal zoveel donkere materie, als baryonische (standaard) materie. Van de zwaartekrachtswisselwerking van donkere materie merken we veel, maar in deeltjesdetectoren ontbrak tot nu toe elk spoor. Maar mogelijk is daar nu verandering in gekomen.

Spookachtige donkere bosonen

Een belangrijke kandidaat voor donkere materie zijn extreem lichte deeltjes die zwak op elkaar inwerken. We kennen al één vorm van dergelijke deeltjes: de spookachtige neutrino’s. Neutrino’s wisselwerken alleen via de zwakke kernkracht en de zwaartekracht. Dit betekent dat we neutrino’s alleen waar kunnen nemen door radioactieve reacties in het uiterst zeldzame geval dat ze die opwekken. De hypothetische steriele neutrino’s, een van de kandidaten voor donkere materie, zijn alleen via de zwaartekracht waar te nemen. Met een hoge-energie supercollider zijn deze en andere lichte deeltjes niet waar te nemen, maar met alternatieve methoden mogelijk wel. Veel onderzoekers zijn hier mee bezig.

Wat zijn donkere bosonen?

Donkere bosonen is een verzamelnaam voor alle kandidaten van donkere materie die dezelfde kwantumgetallen kunnen hebben in elkaars buurt (dus: zonder elkaar af te stoten op elkaar geplaatst kunnen worden). Vooral de lichtere deeltjes binnen deze verzameling, ‘lichte donkere bosonen’, staan in de belangstelling. Zij zouden als ze met een atoom in aanraking komen, namelijk de energieniveaus van elektronen moeten veranderen. Onderzoekers over de hele wereld hebben daarom geprobeerd alternatieve technologieën en methoden te ontwikkelen die de detectie van deze deeltjes mogelijk maken. Een veelbelovende benadering is het meten van de verschillen in energieniveaus van verschillende isotopen. In de spectra van koolstof-12, koolstof-13 en koolstof-14, bijvoorbeeld, zit een miniem verschil in het energieniveau van een aangeslagen elektron. Dat komt door het massaverschil in de kern van steeds één neutron extra. Als er in het atoom niets anders is dan protonen, neutronen en elektronen, zal het verschil in een bepaalde overgang tussen koolstof-12 en koolstof-13 precies even groot zijn als het verschil in diezelfde overgang tussen koolstof-13 en koolstof-14. Is er nog een onbekend deeltje bij betrokken, dan zal een lijn die getrokken wordt door deze waardes afwijken van een rechte lijn: de voorspelling van het Standaardmodel.

Nieuwe aanwijzing voor donkere bosonen gevonden

Omdat de verschillen hier echt miniem zijn, moet precisiespectroscopie toegepast worden om deze waar te kunnen nemen. In hun experimenten onderzochten de teams van de Deense Universiteit van Aarhus (met calciumionen[1]) en de Usaanse MIT (met ytterbiumionen[2]) deze overgangen. Het team van Aarhus mat een rechte lijn (wat overeenkomt met de rechte lijn van het Standaardmodel), maar de groep van het MIT mat een afwijking in het ytterbiumspectrum. Deze afwijking was relatief klein, drie sigma (een kans van 0,3 procent dat de waarnemingen op toeval berusten is naar natuurkundige begrippen nog te hoog; zes sigma, 0,00033 procent was de standaard voor bijvoorbeeld de bevestiging van het Higgsdeeltje) maar wijst er toch op dat er waarschijnlijk “iets” aanwezig is. Het is goed mogelijk, dat de gebruikte benadering van het Standaardmodel bij het ytterbiumion niet volledig is en dat dit de afwijking verklaart, maar er is eveneens een goede kans dat dit het eerste echte spoor is van een nog onbekend deeltje.

Al eerder werden er aanwijzingen voor een nog onbekend deeltje aangetroffen in een met xenon gevuld vat diep onder de Italiaanse berg Gran Sasso. Verdere metingen en het uitwerken van het theoretische model moeten duidelijkheid opleveren.

Bronnen
1. Improved Isotope-Shift-Based Bounds on Bosons beyond the Standard Model through Measurements of the 2D3/2âˆ’2D5/2 Interval in Ca+. Physical Review Letters DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.123003.
2. Evidence for nonlinear isotope shift in Yb+ search for new Boson. Physical Review Letters
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.123002.

Een vijfde natuurkracht kan mogelijk donkere materie en.of donkere energie verklaren. Bron: NASA

X17-deeltje: bewijs voor vijfde natuurkracht sterk toegenomen

Laat een reactie achter / natuurkunde, Universum, Visionaire vragen, Wetenschap / Door Germen Roding / 20 november 2019 20 november 2019

Een nieuwe bevestiging door een Hongaars team van het bestaan van een nog onbekend boson, deze keer bij het verval van helium, doet vermoeden dat we een nog onbekend deeltje op het spoor zijn – en hiermee een deeltje dat niet in het Standaardmodel voorkomt. Als dit experiment wordt gereproduceerd.

Ontbrekende impuls
In 2016 deed het team metingen aan de terugval van een aangeslagen beryllium-8 kern. Aangeslagen atoomkernen bevinden zich op een hoger energieniveau dan kernen in de grondtoestand. Na verloop van tijd springen ze terug in de grondtoestand, waarbij ze de extra energie in de vorm van een deeltje, doorgaans een foton of deeltjespaar, uitzenden. Dit is een welbekend proces binnen de atoomfysica. We weten ook hoe atoomkernen zich in dit geval gedragen. Onder de ijzeren wet van behoud van impuls, moeten alle uitgezonden deeltjes een opgetelde impuls van nul hebben. Als bijvoorbeeld een deeltje onder een hoek van 15 graden naar rechts afbuigt, moet een even zwaar deeltje 15 graden naar links afbuigen, of bijvoorbeeld een half zo zwaar deeltje 30 graden naar links. Als deze optelsom niet meer klopt, moet er een ontbrekend deeltje zijn. Op deze manier is tachtig jaar geleden ook het neutrino ontdekt. Bij het radioactief verval van atoomkernen ontdekten de onderzoekers dat er een kleine hoeveelheid impuls ontbrak. Deze impuls bleek toe te behoren aan een nog onbekend deeltje, waarvan we nu weten dat dat dit het neutrino is.

Dit is ongeveer wat de onderzoekers waarnamen bij de berylliumkernen. Deze vielen terug in de grondtoestand, bij uitzending van een onbekend deeltje. Dit deeltje viel in korte tijd uiteen in een elektron positronpaar. Het experiment werd in de jaren daarna herhaald, deze keer met een helium-4 kern. Ook hier bleek een onbekend deeltje met een vergelijkbare massa vrij te komen. Op grond hiervan vermoedt het team dat het om hetzelfde deeltje gaat, dat ze het ‘X17-boson’ hebben gedoopt.

We weten van het X17-deeltje dat het uiteenvalt in een elektron positronpaar en ongeveer 35 maal zo zwaar is als het elektron, iets onder de 17 MeV/c². Vandaar de voorlopige naam. Het deeltje reageert alleen met neutronen, niet met protonen, omdat het ‘protonfobisch’ zou zijn[3]. Dit gedrag is omgekeerd aan dat van fotonen, die wel reageren op protonen (en elektronen) maar niet op de elektrisch neutrale neutronen. Dit zou ook verklaren waarom dit deeltje tot nu toe niet ontdekt is.

Geen natuurkundige is er tot nu toe in geslaagd om binnen het standaardmodel een verklaring te vinden voor X17. Dat zou betekenen dat we voor het eerst een deeltje hebben waargenomen dat niet binnen het Standaardmodel past – en hiermee de poort opent naar nieuwe natuurkunde en een vijfde natuurkracht.

Hoe zeker zijn deze ontdekkingen?
De meetnauwkeurigheid is groot. De kans dat deze uitkomsten op toeval berusten is 7,1 sigma, m.a.w. kleiner dan 1 op de 400 miljard [2]. Dat, gecombineerd met het eerdere experiment, maakt dat we – uitgaande van het werk van deze groep – kunnen concluderen dat deze metingen valide zijn en er daadwerkelijk een nieuw, onbekend verschijnsel is waargenomen, dat tot nu toe niet met het bekende Standaardmodel is te verklaren. Het is niet uit te sluiten dat we een verklaring over het hoofd zien, al is deze kans klein. Met redelijk grote waarschijnlijkheid is hier dus sprake van ‘nieuwe natuurkunde’. Eindelijk. En dat nog wel buiten het enorme LHC-experiment, dat alleen het bestaan van het Higgs-boson aan heeft getoond.

Wel bestaan er binnen de natuurkundige gemeenschap de nodige twijfels over deze waarnemingen, vooral omdat deze groep al eerder soortgelijke claims deed, die deze – door gebruik van nauwkeuriger meetapparatuur – moest terugtrekken [4]. Hopelijk komt er snel een experiment van een andere groep, waarin deze waarnemingen worden bevestigd.

Wat zijn de gevolgen?
Net zoals het gedrag van een biljartbal prima te beschrijven is met Newtoniaanse middelbare school natuurkunde en het niet nodig is hier de relativiteitstheorie op los te laten, zal in het dagelijks leven deze ontdekking weinig gevolgen hebben. Op korte termijn. Zodra we er in slagen om vergelijkingen voor deze nieuwe natuurkracht op te stellen, dan opent dit nu nog ongekende mogelijkheden. Mogelijk kunnen we door middel van de nieuwe natuurkunde de raadsels van donkere materie en donkere energie blootleggen. Zouden we hier in slagen, en beide natuurverschijnselen leren te benutten, dan ligt het heelal voor ons open en mogelijk zelfs tot Kardashev-IV beschaving uit kunnen groeien. Mogelijk zullen de gevolgen beperkt blijven, zoals met bijvoorbeeld de ontdekking van het neutrino waar we nog vrij weinig mee kunnen.

Bronnen
1. Presentatie 8Be-anomalie, CNNP, Catania, 2017
2. A.J. Krasznahorkay, M. CsatlÃ³s, L. Csige, J. GulyÃ¡s, M. Koszta, B. Szihalmi en J. TimÃ¡r, New evidence supporting the existence of the hypothetic X17 particle, ArXiv preprint server, 2019 (ingezonden voor Physical Review Letters)
3. Jonathan L. Feng, Bartosz Fornal, Iftah Galon, Susan Gardner, Jordan Smolinsky, Tim M. P. Tait, Philip Tanedo, Protophobic Fifth Force Interpretation of the Observed Anomaly in 8Be Nuclear Transitions, ArXiv preprint server, 2016 (published in Prl)
4. Evidence of a â€˜Fifth Forceâ€™ Faces Scrutiny, Quanta Magazine, 2016

Quark-materie bestaat niet meer uit protonen, elektronen en/of neutronen, maar uit een zee van quarks.

Quark-materie kan mogelijk extreem zware atomen vormen

2 reacties / Ideeën, Ideeën en techniek, natuurkunde, Wetenschap / Door Germen Roding / 21 juni 2018 5 februari 2021

Volgens de standaard modellen is het ‘eiland van stabiliteit’ voorlopig uitgeput met de ontwikkeling van zwaardere atoomkernen, na de productie van oganesson. Maar mogelijk klopt dat niet, en is er niet een eiland, maar zelfs een heel continent van stabiele atoomkernen. Alleen bestaat deze niet uit protonen en neutronen, maar uit quark-materie, een soort quarksoep van up- en downquarks. Kan dit kloppen?

Energetisch gezien is de meest gunstige combinatie van protonen en neutronen, een ijzer- of nikkelkern. Hoe meer atoomkernen qua aantallen protonen en neutronen afwijken van ijzer of nikkel, hoe meer potentiële energie er vrij kan komen bij kernreacties. Om die reden is de zwaarste stabiele atoomkern (voor zover we weten) lood. Alle atoomkernen zwaarder dan lood vallen na verloop van tijd uit elkaar. De allerzwaarste atoomkernen die we kennen, zoals die van het vermoedelijke edelgas oganesson (atoomnummer 118), leven korter dan een seconde. Maar is dit het gehele verhaal?

Quarks

Er bestaan zes soorten quarks (plus bijbehorende antiquarks), waarvan de lichtste twee, de up- en downquarks, stabiel zijn. Quarks kunnen niet als losse deeltjes bestaan: het uit elkaar trekken van quarks kost zoveel energie dat hieruit spontaan quark-antiquarkparen (mesonen) ontstaan. Quarks vormen in drietallen protonen en neutronen. Twee upquarks plus een downquark vormen een proton, twee downquarks plus een upquark vormen een neutron. In atoomkernen vormen deze clusters van quarks stabiele deeltjes: de protonen en neutronen. Maar wat gebeurt er als de hoeveelheid kerndeeltjes maar blijft toenemen?

Quarksoep als atoomkern

Volgens een nieuwe theorie gaan protonen en neutronen dan degenereren. De ontstane atoomkern bevat geen onderscheiden kerndeeltjes meer, maar vormt een quarksoep waarin quarks random door elkaar bewegen en voortdurend gluonen uitwisselen. De wis- en natuurkundige Edward Witten voorspelde in 1984 dat er een “strange quark matter” quarksoep zou bestaan die een opmerkelijk laag energieniveau (lees: stabiliteit) zou bezitten. Hierin zouden dan niet alleen up- en downquarks, maar ook strange quarks voorkomen. Ondanks verwoede pogingen van natuurkundigen is dit SQM tot nog toe nooit aangetroffen.
In het artikel van Holdom, Ren en Zhang [1] veronderstellen de auteurs dat er ook een quarksoep bestaat die alleen uit up- en downquarks bestaat. Deze quarksoep, up down quark matter of udQM zou zelfs energetisch gunstiger zijn dan SQM.

Waar zou deze quark-materie kunnen worden aangetroffen?

De kosmos is een tumultueuze plek. Als twee neutronensterren op elkaar crashen, komen er grote hoeveelheden fragmenten vrij. Zo is de aardse goudvoorraad op deze wijze geheel afkomstig van neutronensterren[0]. Ook zwaardere deeltjes dan goudatomen kunnen op deze manier worden gevormd – denk aan uranium.

Men zou verwachten dat er dan ook grote hoeveelheden udQM ontstaan. Als udQM een continent van stabiliteit vormt, moet er nog steeds veel udQM zijn. Tot nu toe is het zwaarste (relatief) stabiele atoom dat in de natuur is aangetroffen het metaal bismuth, met atoomnummer 83. Het bewijs voor zwaardere stabiele elementen dan bismuth is, zachtjes uitgedrukt, niet overweldigend. Als udQM werkelijk bestaat, moet het massaal vrijkomen tijdens deze botsingen. Dus moet het ook in kosmische straling voorkomen – en in normale materie.

Quark-materie in massaspectrograaf?

Een voor de hand liggende methode om dit uit te zoeken is bijvoorbeeld een ijzermeteoriet in plasma te veranderen en het hete plasma door een massaspectrograaf te jagen. Hoe zwakker de lading ten opzichte van de massa van de atoomkern, hoe minder de atoomkern wordt afgebogen. Worden er atoomkernen aangetroffen met een massa van groter dan 300 protonmassa’s, dan hebben we beet. Dit zou uitermate goed nieuws zijn. We kunnen dan door fusie werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden energie opwekken door bijvoorbeeld protonen of kleine atoomkernen te laten absorberen door de quarksoep. Ook kunnen we nieuwe, nu nog onbekende materialen ontwikkelen. Wie weet zelfs femtotechniek, nu nog pure science fiction, mogelijk maken. Tot zover de theorie. Zonder hard observationeel bewijs blijf ik sceptisch. Het is onaannemelijk dat een dergelijke substantie meer dan honderd jaar lang onopgemerkt is gebleven, al zijn verrassingen niet uit te sluiten.

Bestaan

Ren en Zhang hebben ondertussen niet stilgezeten. Ze vonden een nieuw mogelijk domein voor udSM: namelijk het binnenste van zware neutronensterren. In hun model is er een fase-overgang ergens tussen de massa van tussen echte neutronensterren, met een massa lager dan 1,4 zonsmassa’s, en quarksterren, met een massa groter dan 2 zonsmassa’s. [2] De eerste groep bestaat dan uit neutronen, de tweede groep uit up-down quarkmaterie. Uiteraard ligt het ver voorbij onze mogelijkheden nu om het binnenste van neutronensteren waar te nemen, maar we kunnen aan het gedrag van neutronensterren wel het een en ander afleiden. Zo blijken de straal en rotatiesnelheid in neutronensterren soms 20% af te kunnen wijken. Quarkmaterie is een stuk dichter dan neutronium. De ineenstorting van neutronensterren tot quarksterren zou ze flink laat krimpen. En dus sneller laten rondtollen, vanwege het behoud van draai-moment.

Giant glitches door vorming quark-materie?

Deze faseovergang tussen neutronium en udQM zou de “giant glitches”kunnen verklaren, waarbij neutronensterren plotseling tot bijna 2% sneller gaan draaien. [2] De huidige verklaring, waarbij het iets minder dichte oppervlak van neutronensterren een rol speelt, deugt niet, zoals al door meerdere auteurs vastgesteld [3]. Een fase-overgang, waarbij de neutronenster veel kleiner wordt, geeft dan weer wel een goede verklaring voor de versnelling.

Dit zou inderdaad de kans op het vinden van extreem zware atoomkernen veel groter maken. Want bij dezelfde botsing die goud produceert, zou dan ook quarkmaterie worden gevormd. Gesteld, uiteraard, dat deze materie stabiel blijft buiten een neutronenster. Dat laatste is nog de vraag.

Bronnen:
0. Neutron star mergers may create much of the universeâ€™s gold, Science Magazine, 2018
1. Bob Holdom, Jing Ren en Chen Zhang. “Quark Matter May Not Be Strange.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.222001
2. Jing Ren and Chen Zhang, Quantum nucleation of up-down quark matter and astrophysical implications, Phys. Rev. D 102, 083003, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevD.102.083003
3. T Delsate et al., Giant Pulsar Glitches and the Inertia of Neutron-Star Crusts, Phys.Rev.D 94 (2016) 2, 023008. DOI: 10.1103/PhysRevD.94.023008

Video: alle elementaire deeltjes in vijf minuten

Laat een reactie achter / Wetenschap / Door Germen Roding / 24 mei 2013 24 mei 2013

De comlexe wereld om ons heen is opgebouwd uit slechts iets meer dan tien elementaire deeltjes. Van elektron tot quark en van foton tot Higgs-boson: alles om ons heen kotm tot stand door de onderlinge wisselwerking van dit kleine aantal deeltjes. Raak je het spoor bijster? In deze videoclip van vijf minuten komen ze allemaal voorbij en zie je weer het grote verband.

Verder als naslag nog een diagram hieronder met hierin alle deeltjes met uitzondering van het toen nog niet ontdekte Higgsboson.

Een grotere versie is hier te vinden.

Is wat het CERN ontdekt heeft wel het HIggsdeeltje? Bron: artikel

‘Higgs mogelijk nep’

12 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 18 juli 2012 18 juli 2012

Tenminste twee andere (quasi)deeltjes kunnen zich voordoen als het langgezochte deeltje, volgens een nieuwe analyse van CERN-data. Welke van de drie mogelijkheden is het?

Toch geen Higgs?
Het CERN hield bij de aankondiging van de ontdekking van het Higgsdeeltje nog de nodige slagen om de arm. In de formulering van het CERN ging het om een boson, dat ‘consistent is met het langgezochte Higgsboson’. Deze voorzichtigheid van het CERN is terecht, aldus de Amerikaanse auteurs van een nieuw artikel met de heftige titel: Have We Observed the Higgs (Imposter)? Wat natuurlijk de vraag oproept: als het deeltje niet het Higgsdeeltje is, wat dan wel? Ian Low van de voormalige concurrent van het CERN, Argonne National Laboratory in Illinois met de nu buiten bedrijf zijnde Tevatron, en een aantal collega’s spitten door de CERN-data in een poging om licht op deze vraag te werpen. Hun conclusie: de data is consistent met niet alleen het Higgsboson, maar met twee andere deeltjes die verschillen van het standaard Higgsboson.

Dubbelzinnige ‘handtekening’
Het identificeren van deeltjes is verre van eenvoudig. Waar stabiele deeltjes als bijvoorbeeld fotonen of elektronen een duidelijk voorspelbaar gedrag kennen, geldt dit niet voor de instabiele, zware deeltjes als W-bosonen en nu het veronderstelde Higgsdeeltje. Deze deeltjes bestaan extreem kort voor ze uiteenvallen in een waaier van lichtere deeltjes, die elk een deel van de energie met zich meedragen. Volgens de voorspelling van Peter Higgs moet het Higgsdeeltje slechts kort bestaan voor het uiteenvalt. De enige aanwijzing voor het bestaan van een Higgsdeeltje zijn dus de vervalproducten die vrijkomen. Dit kunnen bijvoorbeeld een paar Z-bosonen of fotonen zijn. Helaas is het spoor dat het vermeende Higgsdeeltje achter heeft gelaten niet uniek, aldus de groep deeltjesfysici.

Wie van de drie?
Volgens de groep-Low zijn er verschillende theoretische mogelijkheden. Van de vier (of liever gezegd vijf) theoretische mogelijkheden is één (resp. 2) mogelijkheid, dat wat gemeten is een trilling is, dus zuiver een fopdeeltje door de kwantummenging van andere deeltjes, uitgesloten door de waarnemingsdata. Eén van de drie overgebleven mogelijkheden is dat de data inderdaad afkomstig zijn van een ‘singlet’, een enkelvoudig deeltje dus, m.a.w. het Higgsboson, zoals door het Standaardmodel voorspeld. De andere twee, volgens de auteurs even waarschijnlijke opties zijn dat de data een meer exotische theorie bewijst. In deze theorie bestaat het Higgsboson in de vorm van een doublet of triplet ‘imposter’: geen werkelijk elementair deeltje dus maar een samengesteld deeltje (dat overigens wel uit nog onbekende deeltjes zal bestaan en dus fysisch wel degelijk erg interessant is).

Beide laatstgenoemde mogelijkheden geven een vergelijkbaar goede ‘fit’ voor de waargenomen frequenties. Zowel het voorspelde spoor van het standaard Higgsdeeltje als die van het doublet en triplet samengestelde deeltje liggen binnen het (rode) één-sigmagebied, het gebied waarbinnen met 68,3% zekerheid de waarde ligt. Het triplet fopdeeltje scoort zelfs in één maat, de getoonde, iets beter. Over het algemeen scoort het standaardmodel Higgs echter het best. Op dit moment weten we het nog niet definitief. Eén sigma is uiteraard niet erg indrukwekkend. Pas als er veel meer metingen zijn verricht, wordt het betrouwbaarheidsgebied zo klein, dat een ondubbelzinnige uitspraak is te doen. Een niet-standaardmodel Higgs zou spectaculair nieuws zijn, want zo kunnen we een compleet nieuwe wereld ontdekken.

Onbekende woorden of begrippen? Raadpleeg Natuurkunde 101

Bron
Low et al., Have We Observed the Higgs (Imposter)?, ArXiv preprint server (2012)

Aangetoond met 99,99993% zekeheid: er is 'iets' rond de 127 GeV/c2 dat sterk lijkt op het Higgsdeeltje. Bron: CERN

Nieuw boson ontdekt: Higgsboson?

143 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 4 juli 2012 4 juli 2012

Nadat eerdere experimenten de vijver, waarin het Higgsboson zich nog schuil kon houden, hebben ingeperkt tot het gebied rond de 125-126 GeV/c², is er nu inderdaad een boson in dit gebied aangetroffen. Wat zijn de gevolgen?

Toch een Higgs-achtig deeltje gevonden
Eerder was ik nogal sceptisch over het bestaan van het zogeheten Higgsboson. Maar, zo lijkt het, heb ik nu ongelijk gekregen en blijkt er inderdaad een Higgs-achtig boson te bestaan in het (na het nodige gepruts) voorspelde massabereik. De kans dat het hier om een statistische misser gaat, vastgesteld in twee onafhankelijke detectors, is voor elk van deze detectors kleiner dan de overschrijdingskans voor vijf sigma (een op 1,7 miljoenste), reden voor de deeltjesfysici om nu het sein definitief op ‘gevonden’ te zetten. De ontdekkers zijn verder -terecht- nogal voorzichtig. Zo weten we verder nog weinig over het ontdekte boson, niet eens of het – zoals in het Standaardmodel voorspeld – een spin 0 heeft. In meer exotische varianten heeft het een spin van twee.

Higgsmchanisme
Het Higgsdeeltje, met bijbehorend Higgsveld, geeft in het Standaardmodel alle enkelvoudige deeltjes met massa hun massa. Het werkt als een soort stroop die massadragende deeltjes afremt, aldus de theorie. Hoe sterker de koppeling van een bepaald deeltje met het Higgsveld, hoe groter de massa. Verreweg de meeste massa van samengestelde deeltjes, zoals het proton, ontstaat overigens door relativistische effecten en de onderlinge interactie van de samenstellende quarks. De voornaamste waarde van het Higgsmodel ligt in wat anders: het kloppend krijgen van zogeheten ijksymmetrieën in het Standaardmodel. Het Higgsmechanisme verklaart namelijk waarom bij lage energie we de elektromagnetische kracht (verantwoordelijk voor elektriciteit, magnetisme en dus onder meer alle chemische processen) en de zwakke kernkracht (verantwoordelijk voor radioactiviteit) waarnemen als twee verschillende krachten, terwijl het in feite één elektrozwakke kracht is.

What is a Higgs Boson?

Bron
Observation of a New Particle with a Mass of 125 GeV, CMS CERN, 2012

Zou Lisa Randalls radion werkelijk bestaan? Zo ja, dan zou ze wel eens de eerste vrouwelijke Nobelprijswinnaar Natuurkunde sinds Marie Curie in 1903 kunnen worden.

Sporen van nieuwe natuurkunde ontdekt in LHC-data

10 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 29 april 2012 29 april 2012

Met de ontdekking van het Higgsdeeltje wil het, alle mediaheisa ten spijt, nog niet bepaald opschieten. Wel blijken er in de enorme hoeveelheid data die het CERN vrij heeft gegeven, heel wat interessante metingen te zitten die niet met het Standaardmodel te verklaren zijn. Nieuwe natuurkunde op komst dus. Enkele theorieën zijn al gesneuveld, maar één voorspelt deze waarnemingen precies…

Dual use
Toen de staf van de LHC wereldkundig maakten dat ze sporen van het Higgdeeltje leken te hebben ontdekt, stelden ze al hun meetdata voor download ter beschikking aan natuurkundigen over de hele wereld. De bedoeling hiervan was om de conclusies van het LHC, dat er een mogelijk Higgsdeeltje met een massa tussen de 124 en 126 GeV/c² gevonden was, na te rekenen. Er zijn echter heel wat natuurkundige theorieën die verder gaan dan het Standaardmodel. Geen wonder dat veel theoretisch natuurkundigen de gelegenheid te baat namen om hun lievelingstheorie – of die van hun concullega’s – te beproeven aan de hand van de geopenbaarde LHC-gegevens.

Higgsdeeltje verandert vervalwijze deeltjes
Een bijproduct van de pogingen om de massa van het Higgdeeltje te bepalen, is een grote hoeveelheid statistiek en modelleren van botsingen. Niet alleen produceren deze botsingen grote hoeveelheden van verschillende deeltjes, maar deze deeltjes vallen weer uiteen in andere deeltjes die op hun beurt met elkaar wisselwerken. Welke deeltjes precies ontstaan en hoe ze wisselwerken is niet vooraf te voorspellen; wel kan de kansverdeling worden voorspeld. Deze kansverdeling wordt bepaald door de omstandigheden van de botsing.

De detector kan niet de instabiele tussendeeltjes, zoals W-bosonen en pionen, rechtstreeks detecteren. In feite kunnen alleen elektronen, positronen (anti-elektronen), de zwaardere muonen en straling, die vbrijkomen als de instabiele tussenproducten uit elkaar vallen, worden gedetecteerd. Uit de waargenomen vervalpaden moeten dan de deeltjes worden afgeleid. Sommige vervalpaden komen vaker voor dan andere. Als er een Higgsdeeltje bestaat, heeft dat invloed op de verhouding waarin de verschillende vervalpaden voorkomen. Het Standaardmodel geeft aan hoe.

Goede massa, verkeerde vervalpad-verhouding
De – waarschijnlijke – massa van het “Higgsdeeltje” komt vrij goed overeen met wat – na het nodige gepruts – het Standaardmodel voorspelt, maar de door het LHC-team waargenomen vervalpadverhoudingen zijn heel anders dan voorspeld. Volgens Kingman Cheung en Tzu-Chiang Yuan, beide verbonden aan Taiwanese universiteiten, is dat lastig in te passen in het Standaardmodel. Overigens is de betrouwbaarheid van de data (deze berust immers op veel, heel veel botsingen), nu nog niet groot genoeg om al met zekerheid te kunnen zeggen dat het Standaardmodel niet meer deugt.

Eindelijk dan toch nieuwe natuurkunde?
De meeste natuurkundigen snakken naar experimentele data die afwijken van het Standaardmodel. Tot nu toe heeft de LHC namelijk nog niets nieuws opgeleverd. Er zijn al tientallen uitbreidingen voorbij het Standaardmodel bedacht, alle met als doel het conflict tussen de algemene relativiteitstheorie en de twee kwantumveldtheorieën die de rest van de natuurkunde beschrijven, op te lossen.

De vraag is uiteraard welke theorie klopt. De eenvoudigste variant van de populaire supersymmetrie klopt in ieder geval niet. De voorspelde superpartners van bekende deeltjes, blijken namelijk niet voor te komen in de LHC-metingen. In andere varianten van supersymmetrie zijn deze veel zwaarder, boven het vermogen van de LHC.

Darwinistische theorie-selectie
Elke nieuwe waarneming betekent daarmee dat er theorieën worden uitgeschakeld terwijl de kansen voor andere theorieën juist groter worden. Eén van deze theorieën is een soort supersymmetrie waarbij er één extra dimensie voorkomt en daarnaast een grote hoeveelheid nieuwe, zwaardere deeltjes. De productie van één van de deeltjes uit deze theorie, het zogeheten Randall-Sundrum radion (M. Gabella, 2006), vergroot inderdaad het aantal van precies één bepaalde aftakking en vermindert het aantal van twee andere, zoals waargenomen door het LHC. Volgens de bijbehorende theorie is er een vijfde dimensie (de vierde is de tijd), die opgerold is. Om die reden merken wij hiervan bij lage energieën niets.

Nog veel meetonzekerheid
Wel is de foutenmarge nog te groot om to een definitieve conclusie te komen en zal dat ook in de loop van dit jaar zo blijven. Zelfs als de LHC het Higgsdeeltje vaststelt op 125 GeV/c² (wat inderdaad precies overeeenkomt met de laagste resonantiewaarde in het artikel van Gabella).

Nog steeds geen definitief bewijs voor een bepaalde theorie voorbij het Standaardmodel dus, maar als de experimenten maar lang genoeg worden voortgezet, zal op een gegeven moment een afwijking worden gevonden met voldoende meetnauwkeurigheid om één van de theorieën tot winnaar uit te roepen. Eeuwige roem zal de geluksvogel die deze theorie bedacht, dan ten deel vallen.

Bron
Kingman Cheung en Tzu-Chiang Yuan, Could the Excess Seen at 124â€“126 GeV Be due to the Randall-Sundrum Radion?, Physical Review Letters, 2012, DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.141602

Video: wat is een Higgs boson?

17 reacties / Wetenschap / Door Germen Roding / 7 maart 2012 7 maart 2012

Door de een wordt het Higgs boson het God-deeltje genoemd. Anderen, waaronder ikzelf, vinden het een gekunsteld gedrocht.

Maar wat is het Higgsdeeltje, en het veld waarmee het is geassocieerd, het Higgsveld, precies? In onderstaande Engelstalige video van Fermilab een stoomcursus Higgsdeeltje in drie minuten.

What is a Higgs Boson?

Bestaat het Higgsdeeltje of niet? De spanning loopt op, nu het laatste gat waar het Higgsdeeltje zich nog kon verschuilen steeds meer wordt gesloten. Volgens natuurkundigen in het CERN en hun collega’s van Fermilab zijn er aanwijzingen opgedoken. Dat is al vaker geroepen, wel is er erg toevallig dat bij beide labs tegelijkertijd deze aanwijzingen opduiken. De spanning stijgt dus ten top in het natuurkundige wereldje.

Sterk overdreven tekening van de proefopstelling. De neutrinobundel raast door meer dan 700 km massieve rots richting Gran Sasso.

Bewegen sommige neutrino’s sneller dan het licht?

16 reacties / Visionaire vragen, Wetenschap / Door Germen Roding / 23 september 2011 18 november 2011

Metingen van het CERN lijken er op te wijzen dat een bundel neutrino’s ongeveer een veertigduizendste deel sneller dan het licht beweegt. Klopt deze meting? En stel dat deze meting klopt, wat zijn dan de gevolgen voor de natuurkunde (en dus de wereld) die we kennen?

Wat zijn neutrino’s?
Neutrino’s zijn spookachtige deeltjes die al tachtig jaar bekend zijn, maar deeltjesfysici nog steeds tot wanhoop brengen. Geen wonder. Ze zijn zeer lastig waar te nemen omdat ze nauwelijks met andere materie reageren. Ze kunnen alleen via de ‘zwakke’ wisselwerking (wij nemen die vooral waar als radioactiviteit) invloed uitoefenen op andere materie. Dit is ook de manier waarop neutrinodetectoren functioneren. Ze stellen vast of er spontane kernreacties van een bepaalde, met het neutrino in kwestie samenhangende soort optreden.

Kloppen de waarnemingen?
De onderzoekers van het CERN, misschien wel het grootste natuurkundelab ter wereld, en hun collega’s van het neutrinolab LNGS, meer dan 1300 meter onder de granietberg Gran Sasso op 120 km afstand van Rome, zijn niet over één nacht ijs gegaan. Gedurende meer dan een jaar hebben ze de uiterste moeite genomen de onverwachte resultaten van hun experiment keer na keer na te lopen. Geen wonder. LNGS kwam al eerder met controversieel nieuws, de mogelijke ontdekking van donkere materie, dus ligt stevig onder vuur van concullega’s uit andere delen van de wereld die graag systematische fouten aantonen. Die andere ontdekking, gedaan in een ander Gran Sasso experiment (DAMA/LIBRA), is overigens bevestigd door de Amerikaanse neutrinodetector CoGENT in de Soudan zoutmijn in Minnesota. Kortom: de waarnemingen kloppen waarschijnlijk. Als er al een fout is, dan zal deze dus onverwacht zijn of een subtiel karakter hebben.

OPERA
De waarnemingen werden verricht in de detector OPERA, een 1300 ton wegende verzameling van rond de 150 000 ‘bakstenen’ bestaande uit laagjes lood, afgewisseld met een fotografische emulsie, die geregeld worden gecontroleerd op deeltjessporen. In OPERA is ook foton-detectieapparatuur aanwezig. OPERA is speciaal geconfigureerd om tau-neutrino’s op te sporen. Dit zijn neutrino’s die vrijkomen als bij een kernreactie een tauon vrijkomt of uit elkaar valt. Het tauon is een zeer zwaar en zeer instabiel ‘neefje’ van het elektron dat alleen in uiterst zeldzame kernreacties wordt geproduceerd. Tau-neutrino’s zijn daarom veel zeldzamer dan elektron- of muon neutrino’s. (Het muon is een minder instabiel en minder zwaar deeltje dan het tauon en neemt dus een soort tussenpositie in.) Neutrino’s vertonen echter een merkwaardige eigenschap. Ze ‘oscilleren’ tussen de elektrontoestand, muontoestand- en tauontoestand. Hoe precies, wordt op dit moment nog onderzocht. Dit is de reden dat het OPERA experiment loopt.

Sneller dan het licht
In de loop van drie jaar werden ongeveer 16 000 muon-neutrino’s, afkomstig van het CERN, waargenomen. In het CERN worden protonen met iets minder dan de lichtsnelheid op een blok grafiet afgevuurd. De proefopstelling is zo gekozen dat de botsingsproducten, pionen en kaonen, naar het zuiden reizen. Als deze uiteenvallen komen de gewenste neutrino’s vrij. Op het moment dat de neutrino’s werden geproduceerd in het CERN, reizen ze met ongeveer de lichtsnelheid richting Gran Sasso. Enkele van deze neutrino’s komen in de neutrino deeltjesdetector onder de Gran Sasso terecht. Door middel van atoomklokken zijn de tijden in het Gran Sasso lab en het CERN exact op elkaar afgestemd, dus kan de verstreken tijd tot op tien nanoseconden precies worden vastgesteld. Hierbij werd geconstateerd dat de neutrino’s zestig nanoseconden eerder arriveerden dan als ze met de lichtsnelheid waren gereisd. Dit is ongeveer een veertigduizendste maal sneller dan het licht. Dit is de eerste keer in de geschiedenis van de natuurkunde dat er iets sneller dan het licht is gemeten. Helaas ligt ArXiv er op dit moment uit (overbelasting) dus kan ik het exacte artikel niet downloaden. Afgaande op indirecte informatie is een oordeel lastig, maar ik ben geneigd deze waarnemingen te geloven en als voorlopig eerste conclusie te trekken, dat neutrino’s, het “deeltje waar niemand om gevraagd heeft”, wel eens iets te maken zouden kunnen hebben met het causale weefsel van ruimtetijd zelf. Met andere woorden: onder meer betrokken zijn bij het produceren van de lichtsnelheid als fysische beperking.

Kloppen de waarnemingen wel?
Volgens een Groningse onderzoeker hebben de onderzoekers in het CERN een cruciale fout gemaakt. Bij het experiment wordt een atoomklok aan boord van een GPS-satelliet gebruikt om de tijd exact te meten.
Ze hielden volgens Ronald van Elburg echter geen rekening met de eigenbeweging van de GPS-satelliet waarmee de tijdmetingen werden gesynchroniseerd. De satelliet beweegt van noordwest naar zuidoost in een hoek van 55 graden met de evenaar, ongeveer het traject dat ook de neutrino’s volgen. Hierdoor lijkt voor de satelliet de afstand tussen beide laboratoria iets korter: de welbekende Lorentzcontractie. Door deze eigenbeweging ontstaat precies het tijdverschil van zestig nanoseconden dat wetenschappers hoofdbrekens bezorgt, aldus van Elburg.

Zijn punt is overtuigend. Aan de andere kant ligt dit wel erg voor de hand. Zouden ze hier geen rekening mee hebben gehouden? Wordt vervolgd.