Ein typisches LHCb-Ereignis vollständig rekonstruiert. Als Pionen, Kaon usw. identifizierte Partikel werden in verschiedenen Farben dargestellt. Bildnachweis: CERN, LHCb-Kollaboration
Ergebnisse des LHCb-Experiments um CERN haben weitere Hinweise auf Phänomene ergeben, die mit unserer heutigen Theorie der Grundlagenphysik nicht erklärt werden können.
Im März 2020 veröffentlichte das gleiche Experiment Beweise dafür, dass Teilchen eines der Kernprinzipien des Standardmodells – unsere beste Theorie von Teilchen und Kräften – brechen, was auf die mögliche Existenz neuer fundamentaler Teilchen und Kräfte schließen lässt.
Jetzt haben weitere Messungen von Physikern des Cavendish Laboratory in Cambridge ähnliche Effekte gefunden, was die Argumente für eine neue Physik verstärkt.
„Die Tatsache, dass wir den gleichen Effekt wie unsere Kollegen im März gesehen haben, erhöht sicherlich die Chancen, dass wir wirklich kurz davor stehen, etwas Neues zu entdecken.“ — Harry Cliff
Das Standardmodell beschreibt alle bekannten Teilchen, aus denen das Universum besteht, und die Kräfte, durch die sie interagieren. Es hat bisher alle experimentellen Tests bestanden, und doch wissen Physiker, dass es unvollständig sein muss. Es beinhaltet weder die Schwerkraft, noch kann es erklären, wie Materie während der Urknall, und enthält kein Teilchen, das die mysteriöse dunkle Materie erklären könnte, von der uns die Astronomie sagt, dass sie fünfmal häufiger vorhanden ist als das Material, aus dem die sichtbare Welt um uns herum besteht.
Infolgedessen suchen Physiker seit langem nach Anzeichen für Physik jenseits des Standardmodells, die uns helfen könnten, einige dieser Geheimnisse zu lösen.
Eine der besten Möglichkeiten, um nach neuen Teilchen und Kräften zu suchen, ist die Untersuchung von Teilchen, die als Schönheitsquarks bekannt sind. Das sind exotische Cousins der up- und down-Quarks, die den Kern eines jeden bilden Atom.
Beauty-Quarks gibt es auf der ganzen Welt nicht in großer Zahl, da sie unglaublich kurzlebig sind – sie überleben im Durchschnitt nur eine Billionstel Sekunde, bevor sie sich in andere Teilchen verwandeln oder zerfallen. Allerdings werden jedes Jahr vom riesigen Teilchenbeschleuniger des CERN, dem Large Hadron Collider, Milliarden von Beauty-Quarks produziert, die von einem speziell entwickelten Detektor namens LHCb aufgezeichnet werden.
LHCb-Experimentkaverne am LHC-IP 8. Quelle: CERN
Der Zerfall von Schönheitsquarks kann durch die Existenz unentdeckter Kräfte oder Teilchen beeinflusst werden. Im März veröffentlichte ein Team von Physikern am LHCb Ergebnisse, die Beweise dafür zeigten, dass Schönheitsquarks seltener in Teilchen namens Myonen zerfielen als in ihre leichteren Verwandten, Elektronen. Dies ist im Standardmodell, das Elektronen und Myonen gleich behandelt, nicht zu erklären, abgesehen davon, dass Elektronen etwa 200-mal leichter sind als Myonen. Als Ergebnis sollten Beauty-Quarks gleich schnell in Myonen und Elektronen zerfallen. Stattdessen fanden die Physiker am LHCb heraus, dass der Myonenzerfall nur etwa 85 % so häufig vor sich ging wie der Elektronenzerfall.
Der Unterschied zwischen dem LHCb-Ergebnis und dem Standardmodell betrug etwa drei Einheiten des experimentellen Fehlers oder ‘3 Sigma’, wie es in der Teilchenphysik bekannt ist. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das Ergebnis durch einen statistischen Zufallsfehler verursacht wird, nur etwa eins zu tausend beträgt.
Unter der Annahme, dass das Ergebnis korrekt ist, ist die wahrscheinlichste Erklärung, dass eine neue Kraft, die Elektronen und Myonen unterschiedlicher Stärke anzieht, den Zerfall dieser Schönheitsquarks stört. Um jedoch sicher zu sein, ob der Effekt real ist, werden mehr Daten benötigt, um den experimentellen Fehler zu reduzieren. Erst wenn ein Ergebnis die „5-Sigma“-Schwelle erreicht, wenn die Wahrscheinlichkeit, dass es auf einen Zufall zurückzuführen ist, weniger als eins zu einer Million ist, werden Teilchenphysiker es als echte Entdeckung betrachten.
„Die Tatsache, dass wir den gleichen Effekt wie unsere Kollegen im März gesehen haben, erhöht sicherlich die Chancen, dass wir wirklich kurz davor stehen, etwas Neues zu entdecken“, sagte Dr. Harry Cliff vom Cavendish Laboratory. „Es ist toll, das Puzzle etwas mehr zu beleuchten.“
Das heutige Ergebnis untersuchte zwei neue Beauty-Quark-Zerfälle aus derselben Zerfallsfamilie wie im März-Ergebnis. Das Team fand den gleichen Effekt – die Myonenzerfälle fanden nur etwa 70 % so häufig statt wie die Elektronenzerfälle. Diesmal ist der Fehler größer, was bedeutet, dass die Abweichung etwa ‘2 Sigma’ beträgt, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass dies auf eine statistische Eigenart der Daten zurückzuführen ist, mit einer Wahrscheinlichkeit von etwas mehr als 2% liegt. Das Ergebnis allein ist zwar nicht schlüssig, aber es unterstützt einen wachsenden Stapel von Beweisen dafür, dass es neue fundamentale Kräfte gibt, die darauf warten, entdeckt zu werden.
„Die Aufregung am Large Hadron Collider wächst, gerade als der modernisierte LHCb-Detektor eingeschaltet wird und weitere Daten gesammelt werden, die die notwendigen Statistiken liefern, um eine große Entdeckung entweder zu behaupten oder zu widerlegen“, sagte Professor Val Gibson, ebenfalls von der Cavendish-Labor.