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Indizien für „neue Physik“ erhärten sich

Ungleiche Zerfälle von Beauty-Quarks widersprechen dem Standardmodell der Physik

Beauty-Zerfall
Zerfall eines Beauty-Quarks im LHCb-Detektor am Large Hadron Collider (LHC). Der Anteil der Elektronen und Myonen, die bei diesen Zerfällen entstehen, entspricht nicht den Vorhersagen des Standardmodells. © CERN

Verräterische Abweichungen: Erneut haben Physiker Hinweise auf die Verletzung eines fundamentalen Physik-Gesetzes gefunden. Bei Zerfällen von Beauty-Quarks im Teilchenbeschleuniger LHC entstanden etwas mehr Elektronen als Myonen – das widerspricht der sogenannten Lepton-Universalität des Standardmodells. Sollte sich dies bestätigen, könnte dies ein Hinweis auf Prozesse oder Teilchen jenseits des bisher Bekannten sein.

Das Standardmodell der TeiIchenphysik umfasst und beschreibt die Teilchen und Kräfte, die unser Universum prägen. Doch dieses Modell ist unvollständig: Bislang kann es weder die Natur der Dunklen Materie oder Dunklen Energie erklären, noch warum es mehr Materie als Antimaterie im Kosmos gibt. Auch die Frage, ob es ein Vermittlerteilchen für die Gravitation gibt, ist offen. Schon länger vermuten Physiker daher, dass es noch Vorgänge und Teilchen jenseits des Standardmodells geben könnte.

Verdächtige Abweichungen im Teilchenzerfall

Ein Indiz für eine solche „neue Physik“ hat sich in den letzten Jahren immer mehr erhärtet – und bekommt jetzt eine neue Bestätigung. Dabei handelt es sich um Abweichungen im Zerfallsbild kollidierender Protonen. Wenn diese Kernbausteine im Teilchenbeschleuniger mit hoher Energie aufeinanderprallen, entstehen kurzlebige Elementarteilchen, darunter auch verschiedene Quarks wie das Beauty-Quark.

LHCb
Das LHCb-Experiment ist einer der vier großen Detektoren am LHC.© CERN

Wenn dieses Beauty-Quark zerfällt, entstehen entweder zwei Elektronen oder aber zwei Myonen – schwerere „Geschwister“ der Elektronen. Beide gehören zum Teilchentyp der Leptonen. „Nach dem Standardmodell haben die verschiedenen Leptonen, Elektron, Myon und Tau, die gleichen Wechselwirkungsstärken – das wird als Lepton-Universalität bezeichnet“, erklären die Physiker der LHCb-Kollaboration. Deswegen müssten beim Zerfallen von Beauty-Quarks mit gleicher Wahrscheinlichkeit Elektronen wie Myonen entstehen.

Doch schon 2015 und 2017 lieferten Daten von Protonenkollisionen in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN erste Hinweise auf Abweichungen. Bei den Zerfällen entstanden leicht mehr Elektronen als Myonen – was auf eine Verletzung der Lepton-Universalität hindeuten könnte. Allerdings lagen die Signifikanzen der bisherigen Beobachtungen nur um den Wert von zwei Standardabweichungen (Sigma). Das war zu niedrig, um zufällige Schwankungen ganz auszuschließen.

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Signifikanz steigt auf 3,1

Jetzt bestätigen und erhärten neue Daten vom LHCb-Detektor am CERN diese Beobachtungen. Nachdem die Physiker auch die Daten der neuesten Laufzeit des Teilchenbeschleunigers mit einbezogen, ermittelten sie eine noch deutlichere Abweichung im Verhältnis der Elektronen zu Myonen beim Beauty-Quark-Zerfall. Der Wert lag bei 0,846 statt bei annähernd eins. „Dies ist die bislang präziseste Messung dieses Verhältnisses“, berichten die Physiker der LHCb-Kollaboration.

Damit steigt die Signifikanz der Abweichungen auf 3,1 Sigma. Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass dieses Ergebnis mit dem Standardmodell übereinstimmt, beträgt demnach nur rund 0,1 Prozent. „Das spricht für eine Verletzung der Lepton-Universalität“, so die Forscher. Noch allerdings ist das nicht ausreichend für eine offizielle Entdeckung, denn dafür benötigt man in der Teilchenphysik fünf Sigma – das entspricht einer Chance auf Übereinstimmung von nur noch 0,00003 Prozent.

Möglicher Hinweis auf neue Teilchen oder Kräfte

Aber nach Ansicht der Physiker stärkt das neue Ergebnis die Vermutung, dass es eine Physik jenseits des Standardmodells gibt – sei es in Form noch unbekannter Elementarteilchen oder aber neuer Grundkräfte. „Wenn sich die Verletzung der Lepton-Universalität bestätigt, dann würde dies neuartige physikalischen Prozesse und Interaktionen erfordern“, erklärt LHCb-Sprecher Chris Parkes von der University of Manchester.

Die Physiker wollen nun weitere Daten des Teilchenbeschleunigers LHC auswerten, aber auch aus anderen Beschleunigern weltweit. „Weitere Studien zu verknüpften Prozessen laufen bereits“, so Parkes. „Wir sind gespannt, ob sie die faszinierenden Hinweise der aktuellen Ergebnisse stärken werden.“ (Morimond Conference, arXiv: 2103.11769)

Quelle: CERN, Universität Zürich

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