CERN-Forscher überprüfen Standardmodell mit neuer Präzision

Forscher am CERN haben den sehr seltenen Zerfall des sogenannten B_S⁰-Mesons in zwei Myonen mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen. Ihre Ergebnisse haben Marc-Olivier Bettler und Kollegen in dem Fachblatt „Nature“ veröffentlicht. Erste Hinweise auf den Zerfallsprozess gibt es schon seit Jahren, aber nur mit einem Trick kamen die Wissenschaftler auf so exakte Ergebnisse, dass sie nun im wissenschaftlich als gesichert geltenden Sinn von einer „Beobachtung“ sprechen können.

Teilchenzerfall im LHCb-Detektor

Erstmalig haben sie die Daten der beiden CERN-Detektoren CMS und LHCb kombiniert und gemeinsam ausgewertet. Dadurch hat sich die Präzision der Messungen so weit erhöht, dass eine Signifikanz der Beobachtung des B-Zerfalls von über fünf Sigma erreicht werden konnte. Fünf Sigma ist eine statistisch gesetzte Grenze: Bei Ergebnissen, die mit dieser Wahrscheinlichkeit oder höher gemessen wurden, gehen Teilchenphysiker von einer gesicherten Beobachtung des Prozesses aus.

Mit sehr präzisen Messungen hoffen die Forscher nun auch kleinste Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik aufzuspüren. Das Modell wurde schon mit den verschiedensten Experimenten überprüft und hat bisher jeden Test bestanden. „Das kann aber nicht alles sein“, sagt Bernhard Spaan, der an der Technischen Universität Dortmund zum LHCb-Experiment forscht, gegenüber Welt der Physik. Denn so gut das Modell auch zur Beschreibung der Elementarteilchen funktioniert, so unfähig erweist es sich, weitere physikalische Phänomene wie Gravitation oder Dunkle Materie zu beschreiben.

Dass die in Nature präsentierten Ergebnisse wieder einmal die Theorie bestätigen, ist also nicht das Besondere. Besonders hingegen ist der Weg, wie die Ergebnisse erreicht wurden. Denn die genutzten Daten stammen aus Messzeiten am LHC aus den Jahren 2011 und 2012. Und schon damals versuchten die Wissenschaftler, den B_S⁰-Zerfall nachzuweisen – allerdings ohne Erfolg. Die Daten von den beiden Detektoren CMS und LHCb wurden einzeln ausgewertet und die gemessenen B_S⁰-Zerfälle blieben unter der gültigen Signifikanz-Grenze. „Hochpräzise Messungen sind wichtig, um Hinweise auf neue Physik finden zu können. Und dafür müssen wir neue Wege ausprobieren“, sagt Spaan.

B-Mesonen sind subatomare, instabile Teilchen, die aus einem Quark-Antiquark-Paar bestehen. Solche Teilchen existieren nur kurze Zeit. Sie entstehen beispielsweise bei Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung mit der Atmosphäre oder werden in Teilchenbeschleunigern künstlich erzeugt. Den beobachteten B-Mesonen-Zerfall sagt das Standardmodell der Elementarteilchenphysik exakt voraus. Daher eignet sich dieser Prozess gut, um Abweichungen der Vorhersagen zu messen. Allerdings kommt er sehr selten vor, so sind von einer Milliarde Zerfallsprozesse nur etwa vier die hier untersuchten B_S⁰-Zerfälle.

Diesen Mai ist am CERN der Teilchenbeschleuniger LHC wieder an den Start gegangen und soll gegen Ende des Monats mit Energien von 13 TeV anstelle der bisherigen 8 TeV laufen. Mit den neuen präziseren Analysemethoden und der erhöhten Energie hoffen die Forscher, doch noch eine Lücke im Standardmodell zu finden und so das Modell weiter zu entwickeln.