Search for new physics with charm data at BESIII

Het universum dat we om ons heen zien, bestaat uit materie, maar de natuurwetten die de kleinste deeltjes beheersen, suggereren dat de oerknal evenveel materie als antimaterie zou moeten hebben gecreëerd, die elkaar onmiddellijk zouden hebben vernietigd. Deze discrepantie is een van de grote onopgeloste puzzels van de moderne wetenschap, naast het mysterie waarom neutrino's, spookachtige deeltjes die overal doorheen gaan, überhaupt massa hebben. Het Standaardmodel, onze beste huidige kaart van de subatomaire wereld, beschrijft hoe deeltjes met elkaar interageren, maar kan deze hiaten niet verklaren. Om de ontbrekende stukjes te vinden, zoeken natuurkundigen naar zeldzame gebeurtenissen waarbij de regels schijnbaar worden overtreden, zoals processen die de conservering van het leptongetal of het baryongetal schenden. Het leptongetal is een telling van bepaalde lichte deeltjes zoals elektronen, terwijl het baryongetal zwaardere deeltjes zoals protonen en neutronen telt; in het Standaardmodel worden deze tellingen strikt behouden. Als wetenschappers een deeltje kunnen betrappen op iets dat deze tellingen verandert, of als ze een deeltje een ander type lepton zien transformeren zonder een neutrino om de boekhouding in evenwicht te houden, zou dat een duidelijk teken zijn van nieuwe fysica buiten ons huidige begrip.

Bij de Beijing Electron Positron Collider, een machine die elektronen en hun antimaterie-tegenhangers op elkaar laat botsen, heeft het BESIII-experiment een enorme collectie gegevens verzameld van botsingen die charmonium creëren, een zwaar deeltje bestaande uit een charm-quark en zijn antiquark. Deze dataset, die miljarden gebeurtenissen bevat, fungeert als een precisiemicroscoop voor de jacht op deze verboden transformaties. De onderzoekers richtten zich op drie hoofdroutes: het zoeken naar aanwijzingen dat neutrino's hun eigen antideeltjes zijn, het zoeken naar deeltjes die van identiteit veranderen op manieren die het Standaardmodel verbiedt, en het controleren of zware charmonium-deeltjes kunnen vervallen via zwakke krachten op manieren die normaal gesproken onmogelijk zijn. Door deze miljarden botsingen te analyseren, was het team in staat om de meest strikte grenzen tot nu toe vast te stellen voor hoe vaak deze vreemde gebeurtenissen zouden kunnen voorkomen, waardoor de zoekruimte voor nieuwe theorieën effectief werd verkleind.

In de jacht op leptongetalschending zocht het team naar een proces waarbij een zwaar deeltje, een cascade-baryon, vervalt in een lichter sigma-baryon en twee elektronen, een reactie die zou impliceren dat het neutrino een Majorana-deeltje is, wat betekent dat het zijn eigen antideeltje is. Met behulp van een techniek die de gebeurtenis vanuit beide zijden van de botsing reconstrueert om nauwkeurigheid te garanderen, onderzochten ze meer dan tien miljard botsingen. Ze vonden geen bewijs dat deze vervalreactie plaatsvond. In plaats van een signaal te vinden, berekenden ze dat als dit verval wel optreedt, het minder dan twee keer in elke honderdduizend pogingen moet gebeuren. Ze breidden deze zoektocht uit naar andere deeltjes, waaronder meson zoals de eta en omega, waarbij ze zochten naar vergelijkbare vervallen waarbij een neutraal deeltje verandert in twee pionnen en twee elektronen. Opnieuw verschenen er geen signalen, en de onderzoekers stelden vast dat deze vervallen nog zeldzamer zijn, waarbij ze minder dan een paar keer in een miljoen pogingen voorkomen voor de lichtere meson en minder dan twee keer in een miljard voor de zwaardere deeltjes.

De zoektocht richtte zich ook op baryongetalsschending, speciflijk kijkend naar een fenomeen waarbij een lambda-baryon spontaan verandert in zijn antimaterie-tweeling, een anti-lambda, en weer terug. Deze oscillatie zou de regel breken dat materie en antimaterie afzonderlijk en behouden blijven. Het team analyseerde dezelfde enorme dataset van botsingen om gebeurtenissen te vinden waarbij de eindtoestand suggereerde dat een dergelijke ommekeer had plaatsgevonden. Ze vonden nul instanties van dit proces. Op basis van de afwezigheid van een signaal bepaalden ze dat als deze oscillatie wel plaatsvindt, dit minder dan één keer in elke miljoen pogingen moet gebeuren. Dit resultaat stelt een nieuwe, striktere limiet aan hoe snel een dergelijke transformatie zou kunnen plaatsvinden, en duwt de minimale tijd vereist voor de ommekeer tot langer dan drie tienden van een microseconde, een tijdschaal die ongelooflijk snel is maar nog steeds ver buiten wat het Standaardmodel toestaat.

Het experiment onderzocht ook geladen lepton-flavorschending, een proces waarbij een zwaar deeltje vervalt in twee verschillende soorten geladen leptonen, zoals een elektron en een muon, zonder de gebruikelijke neutrino-partners. In het Standaardmodel zijn een elektron en een muon verschillende families die op deze manier niet mengen. De onderzoekers zochend naar deze menging in het verval van het psi(3686)-deeltje en in de vervallen van eta- en eta'-meson. In het geval van de psi(3686) observeerden ze een handvol kandidaat-gebeurtenissen, maar het aantal was consistent met wat men zou verwachten van willekeurige achtergrondruis in plaats van een echt signaal. Voor de eta- en eta'-meson toonden de gegevens helemaal geen overschot aan gebeurtenissen. Bijgevolg concludeerde het team dat deze flavor-veranderende vervallen extreem zeldzaam zijn, waarbij ze minder dan één keer in elke tien miljoen tot tien miljard pogingen voorkomen, afhankelijk van het specifieke deeltje. Deze limieten zijn aanzienlijk strenger dan eerdere metingen, waardoor veel theoretische modellen die voorspelden dat deze vervallen gebruikelijker zouden zijn, effectief worden uitgesloten.

Ten slotte zocht het team naar zwakke vervallen van charmonium die een verandering in de flavor van de charm-quark impliceren, een proces dat in het Standaardmodel sterk onderdrukt is maar versterkt zou kunnen worden door nieuwe fysica. Ze keken naar vervallen waarbij het charmonium-deeltje transformeert in een D-meson en andere deeltjes, of waarbij het een foton of een paar muonen uitzendt. In alle onderzochte kanalen, van die betrokken bij een D-meson en een rho-meson tot die betrokken bij een D-meson en een elektron, werden geen significante signalen gevonden. De onderzoekers stelden bovengrenzen vast voor hoe vaak deze vervallen kunnen voorkomen, waarbij ze vonden dat ze minder dan een paar keer in elke tien miljoen tot tien miljard pogingen voorkomen. Deze resultaten bieden een uitgebreide kaart van waar nieuwe fysica zich niet verbergt, en dwingen theoretici om hun modellen te verfijnen om aan deze steeds strengere beperkingen te voldoen.

Het werk van de BESIII-collaboratie onthult geen nieuw deeltje of een gebroken natuurwet, maar het doet iets dat even belangrijk is voor de wetenschap: het trekt een scherpere grens rond wat mogelijk is. Door gebruik te maken van de grootste monsters van charm-data ter wereld, heeft het team aangetoond dat het universum zelfs gehoorzamer is aan het Standaardmodel dan eerder gedacht, althans in deze specifieke kanalen. De afwezigheid van signalen is een krachtig resultaat, aangezien het een breed scala aan theoretische mogelijkheden elimineert en toekomstig onderzoek stuurt naar de weinige resterende hoeken waar nieuwe fysica mogelijk nog op de loer ligt. Naarmate er meer gegevens worden verzameld, zullen deze limieten blijven verstrakken, ofwel door een barst in het huidige model te onthullen, ofwel door de zoektocht naar nieuwe fysica naar nog extremere grenzen te duwen.