Die B-Mesonen sind instabil: Sie leben nur einen Bruchteil einer Sekunde, bevor sie sich in andere Teilchen umwandeln. Durch die Untersuchung dieser Umwandlungen hoffen die Forscher, den Einfluss neuer Kräfte oder Teilchen zu entdecken, die das Standardmodell nicht berücksichtigt.
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Das LHCb-Experiment am LHC ist speziell darauf ausgelegt, diese seltenen Zerfälle zu erfassen, indem es Milliarden von Kollisionen aufzeichnet, um die wenigen Ereignisse zu finden, bei denen die „Pinguin“-Zerfälle auftreten. In diesen Fällen wandelt sich das B-Meson in ein Kaon, ein Pion und zwei Myonen um – eine Signatur, die sowohl selten als auch informationsreich ist. Die Winkel, unter denen sich diese Tochterteilchen voneinander entfernen, sind ebenso viele Hinweise auf die zugrundeliegende Physik.
Um diese Untersuchungen durchzuführen, beschleunigt der LHC Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und lässt sie zusammenstoßen. Unter den Detektoren ist LHCb seit 1994 in Betrieb. Zwischen 2011 und 2018 zeichnete das Experiment 650 Milliarden Zerfälle von B-Mesonen auf, aus denen die Wissenschaftler die seltenen Pinguin-Ereignisse extrahierten.
Die Analyse konzentrierte sich auf einen elektroschwachen Prozess, bei dem ein B-Meson in ein Kaon, ein Pion und zwei Myonen zerfällt – ein Zerfall, der nur einmal pro Million B-Mesonen auftritt. Durch präzise Messung der Winkel und Energien der erzeugten Teilchen stellte das Team eine deutliche Abweichung von den Vorhersagen des Standardmodells fest.
Die gemessene Abweichung vom Standardmodell beträgt vier Standardabweichungen. In der Praxis besteht nur eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 16.000, dass dieses Ergebnis auf Zufall beruht, wenn das Standardmodell korrekt ist. Die in Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse stimmen mit denen überein, die unabhängig von einem anderen LHC-Experiment, CMS, erzielt wurden. Obwohl die sogenannte „Fünf-Sigma“-Schwelle noch nicht erreicht ist, die eine wissenschaftliche Entdeckung bestätigen würde, sind die kombinierten Beweise bereits überzeugend.
Im LHC lenken Magnete Protonen auf einem 27 km langen Ring ab, der unter der französisch-schweizerischen Grenze gebaut wurde. Credit: Cern
Mehrere theoretische Modelle könnten die Anomalie erklären. Eine populäre Idee bezieht Leptoquarks ein, hypothetische Teilchen, die die Brücke zwischen Leptonen und Quarks – den beiden Materiefamilien – schlagen. Eine andere Möglichkeit ist die Existenz massereicherer Versionen bekannter Teilchen. Die neuen Daten schränken diese Modelle bereits ein und werden die zukünftige Forschung leiten.
Die LHCb-Kollaboration hat bereits mit der Analyse neuer Daten begonnen, die seit 2018 gesammelt wurden. Dieser Datensatz enthält dreimal so viele B-Meson-Zerfälle wie die vorherige Probe und bietet ein leistungsstarkes Werkzeug zur Überprüfung der Anomalie. Erste Analysen laufen, und Ergebnisse werden in den nächsten Jahren erwartet.
Parallel dazu verfeinern die Physiker die theoretischen Berechnungen, um den Beitrag der charmanten Pinguine besser zu verstehen. Wenn die Abweichung bestehen bleibt oder zunimmt, wird dies die Hypothese einer Physik jenseits des Standardmodells stärken.
Mit Blick in die Zukunft werden die Verbesserungen des LHC in den 2030er Jahren die Kollisionsrate erheblich erhöhen. Das LHCb-Experiment plant, einen 15-mal größeren Datensatz zu sammeln als den, der in der aktuellen Studie verwendet wurde. Mit einer solchen Statistik wird die Empfindlichkeit ausreichen, um eine Signifikanz von fünf Sigma zu erreichen, die Schwelle für eine Entdeckung. Bestätigt sich die Anomalie, eröffnet sich eine neue Ära in unserem Verständnis des unendlich Kleinen.