Mysterieus menggedrag

Alle goede dingen komen in drietallen. Het standaardmodel van de deeltjesfysica neemt dit motto ter harte: het bevat drie zogeheten generaties van elementaire deeltjes. Neem bijvoorbeeld de quarks. Naast het paar van quarktypes dat bekendstaat als "up" en "down", deeltjes die de kern van atoomkernen vormen, bestaan ​​er nog twee extra quarkparen: "charm" en "strange", en ook "top" en "bottom". Samen staan ​​deze zes types quarks bekend als de zes smaken van quarks.

Het standaardmodel voorspelt dat de ene quarksmaak kan overgaan in de andere, een fenomeen dat quarkmenging wordt genoemd, maar het model voorspelt niet hoe vaak verschillende overgangen plaatsvinden. Sterker nog: de state-of-the-art van de analyses geeft aan dat er iets vreemds aan de hand is: de waarschijnlijkheid van alle mengingsvormen bij elkaar is niet 100%. Wat is er aan de hand? Zou dit een signaal kunnen zijn van nieuwe fysica buiten het standaardmodel?

Om die vraag te beantwoorden hebben UvA-IoP-natuurkundige Jordy de Vries en collega's uit Los Alamos, Seattle en Bern een nieuw raamwerk ontwikkeld en bijbehorende berekeningen uitgevoerd om heel precies de hoeveelheid menging tussen up- en down-quarks te bepalen – de quarks waarvoor het effect het sterkst is. Het werk werd onlangs gezamenlijk gepubliceerd in Physical Review Letters en als Editor's Suggestion in Physical Review C.

De onzekerheid temmen

Als input voor de berekeningen gebruiken de natuurkundigen nauwkeurige metingen van radioactieve vervalprocessen die bekend staan ​​als nucleaire bètavervallen. De meest nauwkeurige bepaling van de quarkmenging tussen up en down, komt van zogenaamde supertoegestane bètavervallen, die voorkomen voor allerlei nucleaire isotopen. "Supertoegestaan" betekent dat de betrokken kernen geen spin hebben en daarom gemakkelijker theoretisch te beschrijven zijn. Niettemin lijdt het berekenen van de hoeveelheid menging uit de uiterst nauwkeurige gegevens onder een theoretische onzekerheid die ontstaat uit de subtiele dans tussen de drie fundamentele natuurkrachten die bij het proces betrokken zijn: de sterke kernkracht, de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht die het radioactieve verval veroorzaakt.

Het nieuwe raamwerk is ontworpen om deze wisselwerkingen nauwkeurig te beschrijven en de theoretische onzekerheid te temmen. Het leidde ertoe dat de natuurkundigen effecten ontdekten die nog niet eerder in de berekeningen waren meegenomen, en die te maken hebben met de zwakke interacties tussen de bestanddelen van de kernen. Deze effecten domineren op dit moment de onzekerheid in de berekeningen. In de nabije toekomst, voortbouwend op dit werk en op geavanceerde berekeningen uit de veel-deeltjesfysica, zullen de onzekerheden onder controle worden gebracht, waardoor de weg wordt geëffend om mogelijke signalen van nieuwe fysica in nucleaire processen te ontdekken.

Publications

Radiative Corrections to Superallowed 𝛽 Decays in Effective Field Theory, Vincenzo Cirigliano, Wouter Dekens, Jordy de Vries, Stefano Gandolfi, Martin Hoferichter en Emanuele Mereghetti. Phys. Rev. Lett. 133 (2024) 211801.

Ab initio electroweak corrections to superallowed 𝛽 decays and their impact on V_ud, Vincenzo Cirigliano, Wouter Dekens, Jordy de Vries, Stefano Gandolfi, Martin Hoferichter en Emanuele Mereghetti. Phys. Rev. C 110 (2024) 055502.