Search for rare charm decays at BESIII

Het universum is gebouwd op een reeks regels die natuurkundigen het Standaardmodel noemen. Het is een succesvolle kaart van hoe materie en energie zich gedragen, maar het laat nog enkele van de grootste vragen onbeantwoord. Waarom is er meer materie dan antimaterie? Wat is de donkere materie die sterrenstelsels bij elkaar houdt? Om de antwoorden te vinden, zoeken wetenschappers niet alleen naar nieuwe, zware deeltjes; ze zoeken ook naar scheuren in de bestaande kaart. Ze jagen op processen die zo zeldzaam of zo verboden zijn door de huidige regels dat het vinden van zelfs één enkel geval zou signaleren dat er iets nieuws aan de hand is. Een van de meest veelbelovende plekken om naar deze scheuren te zoeken, is in de wereld van charmquarks. Dit zijn zware, instabiele deeltjes die snel vervallen, maar wanneer ze dat doen, kunnen ze subtiele schendingen van symmetrie of onverwachte veranderingen in hun identiteit onthullen. Door miljarden van deze vervallen te bestuderen, kunnen onderzoekers de grenzen van ons begrip testen en zien of het universum zich precies gedraagt zoals het Standaardmodel voorspelt, of dat het een geheim herbergt dat een nieuwe theorie vereist om het te verklaren.

In het hart van deze zoektocht staat het BESIII-experiment, een enorme detector gelegen in Beijing, China. Deze bevindt zich in een opslagring waar bundels elektronen en hun antimaterie-tegenhangers, positronen, tegen elkaar botsen. Deze botsingen creëren een schone omgeving waarin nieuwe deeltjes worden geboren en onmiddellijk vervallen. De onderzoekers hebben een enorme hoeveelheid gegevens verzameld, inclus_ief de grootste monsters ter wereld van specifieke deeltjes genaamd charmonium, wat gebonden toestanden zijn van een charmquark en een anti-charmquark. Met deze enorme dataset heeft het team een uitgebreide review uitgevoerd van verschillende soorten zeldzame vervallen, waarbij gezocht werd naar tekenen van fysica die het Standaardmodel zegt dat niet zou mogen gebeuren, of die zo zeldzaam zouden moeten gebeuren dat ze effectief onzichtbaar zijn.

Het eerste onderzoeksgebied betreft het zwakke verval van charmonium. In het Standaardmodel wordt verwacht dat deze deeltjes vervallen via de sterke of elektromagnetische krachten, maar er bestaat een piekleine, bijna onmogelijke kans dat ze vervallen via de zwakke kracht, die verantwoordelijk is voor radioactiviteit. De onderzoekers zochten naar specifieke patronen waarbij een charmoniumdeeltje transformeert in een paar andere deeltjes, zoals een neutrale D-meson en een K-ster-meson. Om deze zeldzame gebeurtenissen te vinden, gebruikten ze een slimme techniek: ze reconstrueerden een van de vervalproducten op een manier die de overweldigende achtergrondruis van gewone deeltjesbotsingen wegfilterde. Na het analyseren van de gegevens vonden ze geen bewijs voor deze zwakke vervallen. In plaats daarvan stelden ze een nieuwe, veel striktere limiet aan hoe vaak deze gebeurtenissen mogelijk zouden kunnen voorkomen, waarbij ze de grens van wat is toegestaan verlaagden naar een niveau van één op tien miljoen. Dit resultaat bewijst niet dat het verval plaatsvindt, maar het sluit veel theorieën uit die voorspelden dat het vaker zou voorkomen.

Vervolgens zocht het team naar neutraal stroomverandering met behoud van lading (flavor-changing neutral currents). In de taal van de deeltjesfysica beschrijft dit een proces waarbij een quark van type, of "smaak" (flavor), verandert zonder zijn elektrische lading te veranderen. Het Standaardmodel staat dit toe, maar alleen via complexe, indirecte lussen die het extreem zeldzaam maken. De onderzoekers bestudeerden vervallen waarbij een charmoniumdeeltje verandert in een neutrale D-meson en een paar muonen, of een neutrale D-meson en een foton. Ze keken ook naar vergelijkbare vervallen waarbij D-mesonen betrokken waren die geproduceerd werden bij een specifieke energiedrempel waarbij ze in paren worden gecreëerd. Door één deeltje in het paar te markeren (tagging), konden ze het andere deeltje met hoge precisie bestuderen. Er werden geen signalen gevonden. De limieten die door deze zoektochten zijn gesteld, naderen nu het niveau waarop het Standaardmodel voorspelt dat deze gebeurtenissen zouden moeten optreden, wat betekent dat als er nieuwe fysica verborgen zit in deze vervallen, deze zich zeer subtiel manifesteert.

De zoektocht breidde zich ook uit naar schending van het lepton-smaak (charged-lepton flavor violation). Hoewel we weten dat neutrino's van smaak kunnen veranderen, voorspelt het Standaardmodel dat zwaardere deeltjes zoals elektronen en muonen nooit van identiteit zouden moeten wisselen tijdens een verval. Het vinden van een elektron dat in een muon verandert, of andersom, zou een duidelijk teken zijn van nieuwe fysica. De onderzoekers zochten hiernaar in verschillende gevallen: in het verval van een psi-deeltje in een elektron en een muon, en in het verval van eta-mesonen in hetzelfde paar. Ze gebruikten de schone omgeving van de collider om deze zeldzame gebeurtenissen te onderscheiden van de achtergrondruis. Het resultaat was een volledige afwezigheid van dergelijke gebeurtenissen. Ze stelden de strengste limieten tot nu toe vast voor deze processen, waarmee ze veel modellen die een hogere snelheid van smaakwisseling voorspelden, effectief uitsloten. Deze nulresultaten leggen sterke beperkingen op aan de theoretische krachten die een dergelijke schending zouden kunnen veroorzaken.

Ten slotte onderzocht het team een fundamenteel principe van de natuur genaamd Bose-symmetrie. Deze regel stelt dat twee identieke deeltjes met nul spin, zoals twee neutrale kaonen, niet in een toestand kunnen bestaan die bepaalde kwantummechanische eigenschappen schendt. In het specifieke geval van twee neutrale kaonen die voortkomen uit een charmoniumverval, voorspelt het Standaardmodel dat de gebeurtenis verboden is, tenzij er een kleine hoeveelheid symmetriebreking optreedt. De onderzoekers zochten naar de gelijktijdige productie van twee neutrale kaonen. Ze vonden geen dergelijke gebeurtenissen. De limieten die zij stelden zijn zo laag dat ze onder de voorspellingen liggen van sommige voorgestelde theorieën over kwantumzwaartekracht en de schending van lokaliteit, die suggereren dat verstrengelde deeltjes zich op manieren kunnen gedragen die deze regels breken. De resultaten blijven echter boven het minuscule, verwachte niveau van symmetriebreking veroorzaakt door bekende bronnen binnen het Standaardmodel.

Samenvattend heeft de BESIII-collaboratie de grootste monsters van charmdeeltjes ter wereld gebruikt om de meest gevoelige zoektochten tot nu toe uit te voeren naar zeldzame en verboden vervallen. Ze vonden geen bewijs voor de nieuwe fysica waar ze naar op zoek waren. In plaats daarvan hebben ze een nauwere cirkel rond het Standaardmodel getrokken, waarbij ze laten zien dat de natuur zich met opmerkelijke precisie aan haar regels houdt. Hoewel er geen nieuwe deeltjes of krachten zijn ontdekt, is het werk nog lang niet voltooid. Het experiment staat gepland voor upgrades die het aantal botsingen zullen verhogen en het vermogen om deeltjes te volgen verbeteren. Met meer gegevens en betere instrumenten zal de zoektocht naar de kleinste scheuren in de kaart van de fysica worden voortgezet, gedreven door de hoop dat op een dag een enkele zeldzame gebeurtenis een diepere waarheid over het universum zal onthullen.