De lange zoektocht naar nieuwe fysica

In de Large Hadron Collider (LHC) bij Genève, Zwitserland, kunnen elke seconde miljoenen protonen met bijna de snelheid van het licht op elkaar botsen. Met deze botsingen kunnen hoge-energiefysici quarks en leptonen, de fundamentele bouwstenen van materie, bestuderen. Kristof De Bruyn en Ann-Kathrin Perrevoort, beiden universitair docent aan de Rijksuniversiteit Groningen, gebruiken de botsingen om nog niet verklaarde verschijnselen te vinden die kunnen wijzen op nieuwe fysica.

Al meer dan vijftig jaar gebruiken natuurkundigen het Standaardmodel van de deeltjesfysica om de bouwstenen van materie te beschrijven en zelfs het bestaan van nog niet ontdekte deeltjes te voorspellen, zoals het Higgs-deeltje. Dat doet het allemaal zeer nauwkeurig, maar ondanks dit succes zijn de meeste natuurkundigen het erover eens dat het Standaardmodel niet het volledige verhaal vertelt.

Zo worden quarks (elementaire deeltjes) ingedeeld in twee categorieën, ‘up-type’ en ‘down-type’, die elk uit drie ‘generaties’ bestaan. Voor de down-type quarks zijn dat down, strange en beauty. Down is het lichtst, beauty het zwaarst. ‘We weten echter niet waarom er drie generaties zijn, en niet meer of minder’, zegt Perrevoort. Hetzelfde geldt voor de leptonen, een groep van twaalf elementaire deeltjes waaronder elektronen en neutrino's. Deze zijn ook onderverdeeld in twee types en drie generaties. ‘Maar we kunnen deze getallen niet verklaren.'

Lichtsnelheid

Dit is slechts één vraag die suggereert dat onze kennis van materie onvolledig is. Daarom zijn Perrevoort, De Bruyn en de meeste andere deeltjesfysici ervan overtuigd dat er fysica moet zijn die verder gaat dan het Standaardmodel. Om de grenzen van het model te testen ontwerpen fysici experimenten om allerlei effecten te onderzoeken die door het model worden voorspeld – of juist uitgesloten zijn.

De Bruyn en Perrevoort doen dit, samen met bijna 10.000 andere wetenschappers, in 's werelds grootste en krachtigste deeltjesversneller: de Large Hadron Collider (LHC), die wordt beheerd door de Europese Organisatie voor Kernonderzoek (CERN). De versneller is een cirkelvormige buis met een omtrek van 27 kilometer, ongeveer negentig meter onder de grond, waarin protonen met bijna de lichtsnelheid ronddraaien. Ze krijgen daardoor een extreem hoge hoeveelheid energie. En vervolgens botsen ze frontaal op elkaar.

Het resultaat van zo'n botsing is volgens De Bruyn ‘alsof je twee volle vuilnisbakken op elkaar afvuurt’. In de deeltjesversneller vliegen in plaats van vuilnis subatomaire deeltjes alle kanten op. Op de botslocatie registreert een enorme detector de deeltjes die een zeer zwaar beauty-quark bevatten, een van de zes verschillende soorten quarks. Dit heeft het experiment zijn naam gegeven, LHCb(eauty). Deeltjes die deze quarks bevatten zijn echter zeer onstabiel en vervallen binnen enkele picoseconden (een miljoenste van een miljoenste seconde) tot andere deeltjes. Een enorme detector registreert deze vervalproducten.

Perrevoort: ‘In de LHC kunnen we een groot aantal beauty-quarks produceren en hun verval in detail bestuderen. Dit betekent dat we de voorspellingen kunnen toetsen: als we zelfs maar de kleinste afwijking vinden, kan dit ons wijzen op fysica die verder gaat dan het Standaardmodel.’ Ze zoekt in het verval naar signalen die in het Standaardmodel worden uitgesloten, maar die door theoretisch natuurkundigen zijn voorspeld door uitbreidingen van het model. 'Als we die vinden, zou dat de weg wijzen naar nieuwe fysica.'

Verschillende paden uitsluiten

De Bruyn hanteert een andere benadering: ‘Er zijn meer dan 250 verschillende manieren waarop een beauty-quark kan vervallen tot andere deeltjes’, legt hij uit. Voor een aantal van die vervalpaden kunnen theoretisch natuurkundigen zeer nauwkeurig beschrijven hoe dit gebeurt. 'Door deze specifieke vervalpaden te meten en onze experimentele resultaten te vergelijken met de voorspellingen, kunnen we testen of de theorie klopt – of niet.' Ook hier geldt dat als het experiment resultaten oplevert die de theorie niet heeft voorspeld, dit wijst op fysica die buiten het Standaardmodel valt.

Het LHCb-experiment is in 2010 begonnen met het produceren en analyseren van beauty-quarks. Tot nu toe zijn er geen duidelijke aanwijzingen gevonden voor fysica buiten het Standaardmodel. Is dat niet ontmoedigend? Perrevoort: ‘Door verschillende paden uit te sluiten, krijgen we een meer gedetailleerdere kennis van het Standaardmodel, wat betekent dat we sommige ideeën kunnen uitsluiten. Bovendien hebben de metingen al enkele waarnemingen aan het licht gebracht die in tegenspraak zijn met het Standaardmodel.’ Deze waarnemingen hebben nog geen statistische significantie bereikt, dus er zijn meer gegevens en nauwkeurigere metingen nodig. 'Maar het stimuleert wel de zoektocht naar nieuwe fysica.'

Nieuwe fysica

De Bruyn: ‘We leren ook veel onderweg. Het heeft ongeveer twintig jaar geduurd om de detectoren te bouwen en het experiment uit te voeren, en we hebben ze ongelooflijk nauwkeurig gemaakt. We zijn nu bezig met het herontwerpen van de detectoren voor een upgrade die over tien jaar zal worden geïmplementeerd.’ En later dit jaar gaat de LHC een ‘lange shutdown’ van vier jaar in, voor onderhoud en de installatie van upgrades die in het afgelopen decennium zijn ontwikkeld. Dit betekent niet dat het onderzoek stil ligt. ‘Helemaal niet’, zegt Perrevoort. ‘De afgelopen jaren zijn we er niet in geslaagd om de gegevens te verwerken tot wetenschappelijke artikelen met de snelheid waarmee ze zijn geproduceerd. De komende sluiting voor de upgrade geeft ons de tijd om die achterstand in te halen.’ En misschien ligt er ergens in deze achterstand aan gegevens nieuwe fysica te wachten om ontdekt te worden.