Large Hadron Collider

Neue Physik am Teilchenhorizont?

Von Manfred Lindinger
26.03.2021
, 18:47
Bei Zerfällen von B-Mesonen scheinen tatsächlich mehr Elektronen als Myonen zu entstehen. Eine Asymmetrie, die das etablierte Standardmodell der Teilchenphysik nicht erklären kann. Was ist dran an dem Befund?

Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons – dem letzten fehlenden Baustein des Standardmodells – vor nunmehr neun Jahren, scheint die Teilchenphysik auf der Stelle zu treten. Neue Teilchen oder bislang unbekannte physikalische Effekte sind in keinem der großen Teilchenbeschleuniger bislang gesichtet worden. Dabei sind die Hoffnungen auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells durchaus berechtigt. Denn das Weltmodell vom Aufbau der Materie kann viele Phänomene – wie die Existenz der Dunklen Materie und der Dunklen Energie – nicht erklären. Nun lässt eine Meldung von Forschern des LHCb-Experiments am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf aufhorchen. Danach habe man beim Zerfall sogenannter B-Mesonen eine Beobachtung gemacht, die mit den Voraussagen des Standardmodells nicht vereinbar ist, sollte sie sich bestätigen.

B-Mesonen bestehen aus schweren Bottom-Quarks und werden am Cern in großer Zahl erzeugt, wenn im „Large Hadron Collider“ energiereiche Protonen mit großer Wucht aufeinanderprallen. Allerdings leben diese exotischen Teilchen nur Sekundenbruchteile. Wenn sie zerfallen, entstehen in extrem seltenen Fällen auch Elektronen und Myonen und deren Antiteilchen. Diese zu der Familie der Leptonen zählenden Elementarteilchen sollten eigentlich in gleicher Zahl auftreten. Schließlich machen die beim Zerfall von B-Mesonen dominierende Wechselwirkungen dem Standardmodell gemäß keinen Unterschied zwischen Myon und Elektron. Doch diese „Leptonen-Universalität“ scheint verletzt zu sein.

Ist das Signal wirklich echt?

Die Wissenschaftler des LHCb-Experiments, die seit einigen Jahren die Eigenschaften der B-Mesonen präzise vermessen, haben immer wieder einen leichten Überschuss an Elektronen gemessen. Doch die statistische Signifikanz dafür war bislang zu gering, um klare Aussagen machen zu können. Daraufhin haben die Forscher die 2017 und 2018 gemessenen Daten analysiert. Zuletzt ist die Energie und die Intensität, mit der die Protonstrahlen im LHC miteinander kollidieren, fast verdoppelt worden. Damit hatte sich auch die Zahl der registrierten seltenen B-Mesonen-Zerfälle erhöht. Und tatsächlich, scheint sich nun der frühere Befund erhärtet zu haben. Wie die Forscher in ihrer auf der Online-Datenbank arXiv.org erschienenen Veröffentlichung berichten, beträgt das gemessene Verhältnis von emittierten Myonen zu Elektronen 0,85, statt 1,0, wie vom Standardmodell gefordert.

Zwar hat sich die Signifikanz der Messungen von ursprünglich zwei Sigma auf 3,1 Sigma erhöht. (Damit beträgt die Wahrscheinlichkeit rund 99,9 Prozent, dass das gemessene Signal echt ist). Das reicht aber noch nicht aus, um von einer echten Entdeckung sprechen zu können. Dies setzt eine Signifikanz von fünf Sigma voraus, was einer Wahrscheinlichkeit von 99,9999 Prozent entspricht.

Deshalb sei es noch zu früh für endgültige Schlussfolgerungen, räumt auch Nicola Serra von der Universität Zürich ein, der mit seinen Mitarbeitern an den Messungen beteiligt war. Allerdings stimme die neue Abweichung mit dem Muster von Anomalien überein, die sich im letzten Jahrzehnt abgezeichnet hätten. So haben auch Physiker des BaBar-Experiments am Stanford Linear Accelerator Center bei B-Mesonen-Zerfällen eine etwas geringere Zahl an Myonen festgestellt. Allerdings ist die Unsicherheit des gemessen Verhältnisses der beiden Teilchensorten deutlich zu groß.

Raum für Spekulationen

Um ganz sicher sein zu können, ob die Lepton-Universalität wirklich verletzt ist bräuchten die Forscher des LHCb-Experiments deutlich mehr Daten. Diese können aber erst im kommenden Jahr geliefert werden, wenn der Large Hadron Collider nach einer Umbauphase am Cern wieder in Betrieb geht. Dann werden noch mehr Protonen mit einer noch höheren Energie kollidieren, wodurch auch mehr B-Mesonen produziert werden. Das dürfte auch die Statistik extrem seltener Teilchenzerfälle verbessern. Inzwischen könnte aber auch der japanische Teilchenbeschleuniger „SuperKEKB“ in Tsukuba zur Klärung beitragen. Dort werden seit kurzem bei der Kollision von Elektronen und deren Antiteilchen, die Positronen, ebenfalls B-Mesonen in großen Mengen produziert.

Sollte sich die in Genf gemessene Abweichung tatsächlich bestätigen, wäre dies ein deutliches Zeichen für eine Physik jenseits des Standardmodells. In Frage käme eine neue Wechselwirkung zusätzlich zu den vier bekannten Grundkräften. Diese fünfte Kraft würde, falls sie existiert, unterschiedlich stark an das Elektron und das Myon, das 207 Mal so schwer ist, koppeln. Hinter einer Verletzung der Leptonen-Universalität könnte auch ein bislang unbekanntes Elementarteilchen stecken. Gehandelt wird das sogenannte Lepto-Quark, weil es gleichzeitig an Quarks und Leptonen koppelt. Dieses hypothetische Teilchen kann erklären, warum etwa die Ladung von Proton und Elektron – abgesehen vom Vorzeichen – den gleichen Wert hat. Oder weshalb genau so viele Quarks wie Leptonen existieren, nämlich jeweils sechs. Fragen, auf die das Standardmodell ebenfalls keine Antworten hat.

Deshalb ist es zwar verständlich, dass den Ergebnissen des LHCb-Experiments derzeit so viel Beachtung geschenkt wird. Vorsicht ist aber angebracht. Auch in der Teilchenphysik hat sich so manches Signal wieder in Nichts aufgelöst, als noch einmal genauer nachgemessen wurde.

Quelle: F.A.Z.net, mli
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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