Erster Blick ins Zeptoversum: CERN registriert erstmals extrem seltenen Teilchenzerfall
Manchester (Großbritannien) – Physikern des CERN-Teilchenbeschleunigers ist erstmals der Nachweis eines extrem seltenen Zerfalls eines Elementarteilchens gelungen. Die Entdeckung könnte Einblicke in unvorstellbar kleinste Räume des sogenannten Zeptoversums erlauben.
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Wie das CERN-Team um Prof. Conor Fitzpatrick von der University of Manchester berichtet, gelang die Detektion im Rahmen des LHCb-Experiments am weltgrößten Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Kernforschungszentrums CERN.
Während des nachgewiesenen Prozesses zerfällt ein Teilchen, das ein sogenanntes Beauty-Quark enthält, in zwei Myonen. Der Vorgang sei so unwahrscheinlich, dass er rechnerisch nur etwa einmal unter zehn Milliarden Beauty-Teilchen auftreten sollte, berichten die Forschenden. Die Beobachtung könnte helfen, die Grenzen des derzeitigen Standardmodells der Teilchenphysik genauer auszuloten und nach bislang unbekannten Teilchen und Naturkräften zu suchen.
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Laut den beteiligten Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen erreichen die nun publizierten Ergebnisse eine statistische Signifikanz von 3,2 Sigma. Das gilt in der Teilchenphysik als erster Hinweis auf einen bislang nicht nachgewiesenen Prozess, reicht aber noch nicht an die für den Nachweis einer bestätigten Entdeckung notwendigen 5 Sigma heran. Dafür müssen die Forscher weitere Daten sammeln und den Befund absichern.
Vier Jahrzehnte Suche nach einem seltenen Zerfall
Im Mittelpunkt der aktuellen Messung steht der Zerfall eines sogenannten B-Mesons, das ein Beauty-Quark enthält. Diese Quarks gehören zu den schwereren Verwandten jener Quarks, aus denen die gewöhnliche Materie aufgebaut ist. Bei Kollisionen im LHC entstehen große Mengen solcher Teilchen. Allerdings existieren sie nur etwa eineinhalb Billionstel Sekunden, bevor sie zerfallen.
Der jetzt untersuchte Prozess wird als „Bd to μ μ“ bezeichnet. Dabei zerfällt ein B-Meson in zwei Myonen. Myonen sind Elementarteilchen, die den Elektronen ähneln, jedoch deutlich schwerer sind. Das Standardmodell sagt voraus, dass dieser Zerfall nur ungefähr einmal unter zehn Milliarden Beauty-Teilchen stattfindet. Bislang hatte kein einzelnes Experiment einen ausreichend deutlichen Hinweis darauf geliefert.
Die Untersuchung ihrer Zerfallsprozesse erlaubt Rückschlüsse auf die grundlegenden Wechselwirkungen der Natur. Besonders interessant sind dabei seltene Zerfälle: Neue, bislang unbekannte Teilchen könnten den Prozess beeinflussen, selbst wenn sie am Beschleuniger nicht unmittelbar erzeugt oder nachgewiesen werden können. Ihre Existenz könnte sich dann indirekt durch Abweichungen von den theoretisch erwarteten Zerfallsraten bemerkbar machen.
Der Blick ins „Zeptoversum“
Die Messung eröffnet zugleich neue Möglichkeiten, die Physik auf bislang kaum untersuchten kleinsten Größenskalen zu erforschen. Die Wissenschaftler sprechen in diesem Zusammenhang vom „Zeptoversum“. Gemeint ist eine hypothetische Welt auf winzigsten räumlichen Skalen von etwa einem Zeptometer, was einem Milliardstel eines Billionstel Meters entspricht. In diesem Bereich könnten sich bislang unbekannte Teilchen oder zusätzliche Naturkräfte bemerkbar machen.
Gerade weil auch das aktuelle Messergebnis mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmt, wird es für die weitere Forschung besonders interessant: Je genauer die Wissenschaftler solche seltenen Prozesse vermessen, desto empfindlicher können sie nach möglichen Abweichungen suchen. Diese könnten Hinweise darauf liefern, an welchen Stellen das Standardmodell ergänzt oder möglicherweise grundlegend erweitert werden muss.
Die LHCb-Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen um Firtzpatrick erhoffen sich von dem nun beobachteten Zerfall ein besonders aussagekräftigen Zugang zur Suche nach der gesuchten neuen Physik.
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Recherchequelle: CERN, University of Manchester
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