Physiker des LHCb-Experiments am CERN haben Hinweise auf einen Partikelzerfall gefunden, der so selten ist, dass er etwa einmal in zehn Milliarden Zerfällen auftritt, und damit eine Suche abgeschlossen, die mehr als 40 Jahre lief.
Das Ergebnis betrifft ein Beauty-Teilchen – ein kurzlebiges Hadron mit einem Bottom-Quark –, das bei Hochenergie-Protonenkollisionen im Large Hadron Collider entsteht. Die Kollaboration berichtete die Beobachtung diese Woche.
Warum ein seltener Zerfall es wert ist, verfolgt zu werden
Seltene Zerfälle sind gerade deshalb nützlich, weil sie selten sind. Im Standardmodell lässt sich die Wahrscheinlichkeit eines bestimmten Zerfalls mit hoher Präzision berechnen. Misst ein Experiment eine Rate, die von dieser Vorhersage abweicht, würde die Lücke auf noch nicht beobachtete Teilchen oder Kräfte hindeuten.
Den Zerfall in der erwarteten Rate zu finden, ist daher ein Test dafür, dass das Standardbild an einer Stelle Bestand hat, an der es hätte brechen können. Es schließt zudem eine Reihe vorgeschlagener Modelle aus, die eine andere Rate vorhersagten.
Wie die Messung durchgeführt wurde
Der LHCb-Detektor ist darauf ausgelegt, bei Protonenkollisionen entstehende Teilchen zu identifizieren und ihre Bahnen über kurze Distanzen zu verfolgen. Beauty-Teilchen zerfallen innerhalb eines Bruchteils einer Nanosekunde im Detektor, sodass das Experiment auf präzise Spurrekonstruktion und Teilchenidentifikation angewiesen ist, um zu rekonstruieren, was entstanden ist und wie es zerfiel.
Die Trennung des Signals vom Untergrund erforderte die Analyse eines sehr großen Datensatzes, der über mehrere Jahre des Betriebs gesammelt wurde. Die Kollaboration erklärte, das Ergebnis stimme mit dem Standardmodell überein und die Messung setze nun engere Grenzen für mehrere Klassen von Modellen neuer Physik.
Wie es weitergeht
Der Large Hadron Collider tritt in eine Phase von Upgrades ein, die die Kollisionsrate und das aufgezeichnete Datenvolumen erhöhen sollen. Mehr Daten werden es LHCb ermöglichen, die Beobachtung zu bestätigen und verwandte Zerfälle mit größerer Präzision zu messen.
Physiker haben lange erwartet, dass sich neue Physik, falls sie bei zugänglichen Energien existiert, zuerst in Prozessen zeigen würde, die im Standardmodell stark unterdrückt sind. Bislang haben diese Suchen Übereinstimmung statt Abweichung gefunden, was selbst ein Ergebnis ist: Es sagt Theoretikern, wo sich neue Teilchen nicht verstecken können.