quarks

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 / 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]

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)

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 / 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.

Quark-materie bestaat niet meer uit protonen, elektronen en/of neutronen, maar uit een zee van quarks.
Quark-materie bestaat niet meer uit protonen, elektronen en/of neutronen, maar uit een zee van quarks. Bron: Chinese Academie van Wetenschappen, Quark Research Center

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 universe’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

 

Als materie met strange quarks stabieler is dan normale materie, zou deze normale materie moeten opslokken. Een geliefd scenario voor doemdenkers.

Wat als ‘donkere materie’ gewoon uit standaardmaterie bestaat?

2 reacties / Ideeën, natuurkunde, Wetenschap / Door / 5 november 2014

Onderzoekers denken een verklaring voor donkere materie gewonden te hebben die geen nieuwe natuurkunde vereist, slechts grote brokken materie. Hoe sterk is hun ‘case’ voor zogeheten macro’s, die net zoals normale materie gewoon uit quarks en leptonen bestaat ?

Donkere materie
Uit astronomische waarnemingen blijkt dat op er grote schaal de zwaartekracht zich niet precies gedraagt zoals de zwaartekrachtswet van Newton en de algemene relativiteitstheorie voorspellen. Zo draaien  de buitenste delen van sterrenstelsels veel sneller om de kern, dan ze op basis van klassieke zwaartekrachtstheorie zouden moeten doen. Er van uitgaande dat exotische zwaartekrachtstheorieën als MOND onzin zijn, moet iets onzichtbaars voor extra zwaartekracht zorgen. De meerderheid van de astronomen denkt dat dat ‘iets’ bestaat uit exotische deeltjes, bijvoorbeeld WIMPs of axionen, die niet in het Standaardmodel voorkomen. Helaas wil het niet echt opschieten met het ontdekken van deze spookdeeltjes. Vreemd natuurlijk, als ze verantwoordelijk zijn voor plm 80% van alle materie.

Als materie met strange quarks stabieler is dan normale materie, zou deze normale materie moeten opslokken. Een geliefd scenario voor doemdenkers.
Als materie met strange quarks stabieler is dan normale materie, zou deze normale materie moeten opslokken. Een geliefd scenario voor doemdenkers.

Donkere neutronium?
David M. Jacobs en Glenn D. Starkman, onderzoekers van de Case Western Reserve University  in de Amerikaanse deelstaat Ohio denken dat de verklaring hiervoor simpel is. De spookdeeltjes bestaan niet; de “donkere materie” is normale materie, maar opgesloten in macroscopische objecten, die we gewoon met het blote oog kunnen zien. Zij het dat ze wel een extreem hoge dichtheid hebben, in de orde van grootte van een neutronenster. Neutronium is extreem compact. Een neutroniumobject met de massa van de aarde is ongeveer zo groot als een eengezinswoning en dus van een verre afstand erg moeilijk waar te nemen. Er is alleen een probleempje met deze materie. Ongebonden neutronen vallen in gemiddeld een kwartier uit elkaar tot waterstofatomen. Neutronium is, voor zover we weten, alleen bij de extreme drukken zoals in de kern van een ineengestorte ster heersen, stabiel. Er zal dus een nog dichter, stabiel materiaal moeten worden gevonden. Sommige theoretici veronderstellen dt er zogeheten ‘strange matter’, vreemde materie, die is gegroepeerd in strangelets, moet bestaan. Strangelets zijn in feite enorme baryonen (atoomkerndeeltjes), die naast de gebruikelijke up- en downquarks, ook bestaan uit zwaardere strange quarks. Op dit moment is er geen empirisch bewijs aangetroffen voor het bestaan van strangelets. Dat is maar goed ook, want als een strangelet de aarde zou raken, zou een kettingreactie op kunnen treden, die alle materie op aarde in een strangelet verandert. De auteurs denken dan ook dat kleine strangelets niet bestaan: immers de zon schijnt nog steeds. Zij geloven in objecten tussen 1018 gram en 1023 gram. Om een indruk te geven: dat zijn objecten met een massa tussen ruwweg die van een grote asteroïde en de planeet Mars. Deze objecten zijn inderdaad zo klein dat ze optisch alleen binnen ons zonnestelsel waargenomen kunnen worden. Ook kunnen ze zo zeldzaam zijn dat ze niet vaak met normale materie botsen. Volgens de onder- en bovengrenzen die de auteurs noemen, kunnen er zich tussen de 0,1 en 1014 macro’s in de bol tussen de zon en de omloopbaan van de aarde bevinden [1].

Empirisch bewijs
De empirische bewijzen voor deze objecten blijken echter afwezig. Zware macro’s van een planeetmassa zijn uitgesloten, gezien de zeer nauwkeurige zwaartekrachtsmetingen op aarde die geen afwijkingen geven. Zeer lichte macro’s met de massa van enkele kilo’s zouden misschien kunnen bestaan. Deze zouden kleiner zijn dan een atoom. Hiervoor gelden de gebruikelijke issues met strangelets: het zijn er erg veel, dus zouden ze massaal met bestaande materie in aanraking moeten komen en deze omzetten in strangelets. Persoonlijk geef ik daarom niet veel voor deze theorie.

Bronnen
1. David M. Jacobs en Glenn D. Starkman, Macro dark matter, Arxiv prepublish server, 2014