Neue Resultate stellen physikalische Gesetze in Frage

Forschende der UZH und des CERN haben neue verblüffende Ergebnisse veröffentlicht. Laut der internationalen Forschungskollaboration LHCb, die das Large Hadron Collider beauty-Experiment betreibt, verstärken die neuesten Messungen die Hinweise auf eine Abweichung gegenüber den theoretischen Erwartungen. Lassen sich die Resultate bestätigen, deuten sie auf eine Physik jenseits des Standardmodells hin – etwa eine neue fundamentale Kraft.

Wenn bei der Kollision von hochenergetischen Protonenstrahlen im Large Hadron Collider (LHC) – dem Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf – sogenannte Beauty-Quarks entstehen, zerfallen sie praktisch sofort an Ort und Stelle. Forschende des Large Hadron Collider beauty-Experiments (LHCb-Experiment) rekonstruieren die Eigenschaften der kurzlebigen, zusammengesetzten Teilchen anhand ihrer Zerfallsprodukte.

Nach den etablierten Gesetzen der Teilchenphysik – dem sogenannten Standardmodell – sollten die Beauty-Quarks mit der gleichen Wahrscheinlichkeit in einen Endzustand mit Elektronen bzw. Myonen, den viel schwereren Geschwistern der Elektronen, zerfallen. Seit 2014 deuten Messungen am LHC jedoch darauf hin, dass diese «Lepton-Universalität» in einigen Zerfällen verletzt werden könnte. Diese Zerfällen zeigten kleine Abweichungen vom Verhältnis der beiden Teilchensorten von der theoretischen Vorhersage von eins.

Zerfallsmessungen stimmen nicht mit Vorhersage der Teilchenphysik überein

Mitglieder der Gruppe von Nicola Serra, Professor am Physik-Institut der Universität Zürich (UZH), sind Teil des kleinen Forschungsteams, das die Messungen durchgeführt hat. In der neuesten LHCb-Analyse wurde das Verhältnis der Zerfallsprodukte, die Elektronen und Myonen enthalten, mit viel besserer Präzision bestimmt als bei früheren Messungen. Verwendet wurden alle bisher vom LHCb-Detektor gesammelten Daten. Das Ergebnis deutet auf eine Abweichung vom Verhältnis eins hin – und damit auf eine Verletzung der «Lepton-Universalität» in Beauty-Quark-Zerfällen.

Die Wahrscheinlichkeit, dass die Daten mit der theoretischen Vorhersage vereinbar sind, beträgt etwa 0,1%. Sollte sich diese Abweichung bestätigen, würde dies eine Physik jenseits des Standardmodells implizieren – etwa eine neue fundamentale Kraft zusätzlich zu den vier Grundkräften: Gravitation, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung, die für Radioaktivität verantwortlich ist, und starke Wechselwirkung, die die Materie zusammenhält.

Zu früh für endgültige Aussagen, aber grosses Potenzial für kommende Messungen

«Das Standardmodell hat sich jahrzehntelang als sehr erfolgreich bewiesen. Unsere Aufgabe als Experimentatoren ist es, das Modell immer genauer zu testen und zu sehen, ob es der strengeren Überprüfung standhält», sagt UZH-Forscher Patrick Owen, der federführend an der Analyse beteiligt war. In der Elementarteilchenphysik werden Beobachtungen zu echten Entdeckungen, wenn die Wahrscheinlichkeit eines Irrtums unter Berücksichtigung aller bekannten Fehler weniger als eins zu drei Millionen oder 0,00003% beträgt.

«Es ist also noch zu früh für eine endgültige Schlussfolgerung. Allerdings stimmt die neue Abweichung mit dem Muster von Anomalien überein, die sich im letzten Jahrzehnt abgezeichnet haben», sagt Nicola Serra. «Doch die LHCb-Kollaboration verfügt über alle Voraussetzungen, um in Beauty-Quark-Zerfällen die mögliche Existenz von Effekten einer neuen Physik zu klären. Was wir dazu brauchen, sind viele weitere Messungen», schliesst Serra.

Das Ergebnis wurde heute erstmals an der Moriond-Konferenz über elektroschwache Wechselwirkungen und vereinheitlichte Theorien sowie an einem Online-Seminar am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung in Genf, vorgestellt.

Das Large Hadron Collider beauty-Experiment (LHCb)

Das LHCb-Experiment ist eines der vier grossen Experimente am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf. Entwickelt wurde es, um Zerfälle von Elementarteilchen zu untersuchen, die ein Beauty-Quark enthalten. Dies ist das Quark mit der höchsten Masse, das gebundene Zustände bildet. Die daraus resultierenden Präzisionsmessungen von Materie-Antimaterie-Unterschieden und seltenen Zerfällen von Teilchen, die ein Beauty-Quark enthalten, ermöglichen empfindliche Tests des Standardmodells der Teilchenphysik.

Forschungsgruppen der UZH und der ETH Lausanne sind seit 1999 Mitglieder der LHCb-Kollaboration. Sie haben wichtige Beiträge zum Design und zum Bau des LHCb-Detektors geleistet und sind an dessen Upgrades beteiligt. Diese Erweiterungen des Detektors werden der Schlüssel sein, um die benötigten Daten zu sammeln und herauszufinden, ob die beobachteten Anomalien in den Beauty-Quark-Zerfällen tatsächlich real sind. Seit dem Beginn der Datenaufnahme im Jahr 2009 spielt die UZH-Gruppe von Nicola Serra eine führende Rolle bei den Messungen der Zerfälle von Teilchen, die Beauty-Quarks enthalten.

Die Gruppe arbeitet eng mit zwei weiteren UZH-Teams zusammen, die an der theoretischen Beschreibung dieser Phänomene arbeiten. Professor Gino Isidori arbeitet an der theoretischen Interpretation dieser Zerfälle und beschäftigt sich mit offenen Fragen zur Natur der Grundbausteine der Materie und ihrer fundamentalen Wechselwirkungen. Andreas Crivellin, SNF-Förderprofessor an der UZH, untersucht am Paul Scherrer Institut (PSI) mögliche Implikationen dieser Resultate für andere Experimente. Gemeinsam verbinden die UZH-Forschungsteams in der aktuellen Teilchenphysik-Forschung Theorie und Experiment effektiv miteinander.
http://lhcb.web.cern.ch/

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Nicola Serra
Physik-Institut
Universität Zürich
Tel. +41 44 635 57 25
E-Mail: nicola.serra@cern.ch

Originalpublikation:

LHCb collaboration: R. Aaij et. al. Test of lepton universality in beauty-quark decays. arXiv.org. 23 March 2021. https://arxiv.org/abs/2103.11769

Weitere Informationen:

https://www.media.uzh.ch/de/medienmitteilungen/2021/LHCb-Detektor.html