ForschungDie Symmetrie zwischen Elektronen und Myonen „wackelt“

7. Mai 2021

Experimentelle Hinweise auf mögliche neue Physikphänomene jenseits des Standardmodells

Anhand von Daten, die am weltweit größten und stärksten Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) der Forschungseinrichtung CERN in Genf (Schweiz), gewonnen wurden, haben Wissenschaftler im LHCb-Experiment Hinweise auf mögliche neue physikalische Phänomene gefunden. Damit häufen sich die Anzeichen, dass das Standardmodell der Teilchenphysik – die gängige Theorie der Teilchenphysik, die das Verhalten aller Kräfte und Teilchen im Universum beschreibt – möglicherweise nicht mehr alle Messungen erklären kann. Ihre Messung zu sogenannten Myon-Teilchen haben die Forscherinnen und Forscher der LHCb-Kollaboration auf einer internationalen Konferenz für Teilchenphysik und in einem Seminar am CERN vorgestellt. Maßgeblich an den Analysen beteiligt sind Wissenschaftler der Universität Heidelberg, der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen und der Technischen Universität Dortmund.

Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt voraus, dass das Myon-Teilchen und das Tau-Teilchen schwere Kopien des Elektrons sind; danach müssten sie sich genauso verhalten wie das Elektron selbst. Dieses identische Verhalten der Teilchen, die alle zur Gruppe der Leptonen gehören, nennt sich Lepton-Universalität. Mit dem LHCb-Detektor gehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Frage nach, ob das Verhalten tatsächlich gleich ist oder ob es leichte Abweichungen gibt. Dabei richten sie ihr Augenmerk auf B-Mesonen, die in großer Zahl erzeugt werden, wenn am LHC energiereiche Protonen aufeinanderprallen. Allerdings leben diese Teilchen nur wenige Bruchteile einer Sekunde. Wenn sie zerfallen, entstehen in außerordentlich seltenen Fällen auch B-Mesonen, die dann wieder in Elektronen oder Myonen zerfallen. Bei der jetzt vorgestellten Messung ging es um Teilchenzerfälle von B+-Mesonen.

Die Wissenschaftler haben herausgefunden, dass B+-Mesonen etwas häufiger in Elektronen als in Myonen zerfallen, obwohl bei einem solchen Zerfall laut Theorie beide Endzustände gleich oft vorkommen müssten. Das Ergebnis deutet auf eine Verletzung der Lepton-Universalität hin. Noch sind noch nicht genug Daten zusammengekommen, damit die Forscherinnen und Forscher von einer Entdeckung sprechen könnten. Dr. Martino Borsato von der LHCb-Arbeitsgruppe an der Universität Heidelberg, der die Analyse mitgeleitet hat, geht wie seine Kollegen in Aachen und Dortmund jedoch davon aus, das die Symmetrie zwischen Elektronen und Myonen „wackelt“. Gelingt es, die Messung mit weiteren Daten zu bestätigen, wäre dies nach den Worten von Dr. Borsato ein starker Hinweis für neue Physikphänomene jenseits des Standardmodells. „Dieses neue Ergebnis gliedert sich in eine Reihe von Messungen ein, die gemeinsam ein konsistentes Bild ergeben. Die Daten erfordern derzeit Erklärungen und Modelle, die über das Standardmodell hinausgehen“, ergänzt Prof. Dr. Stephanie Hansmann-Menzemer, die Leiterin der Heidelberger LHCb-Arbeitsgruppe.

Derweil arbeiten Physiker, Ingenieure und Techniker des Physikalischen Instituts der Universität Heidelberg am Ausbau der Spurkammern und des Triggersystems für das LHCb-Experiment, um den steigenden Herausforderungen bei der Datennahme am Large Hadron Collider bei höheren Kollisionsraten von 2022 an gewachsen zu sein. Mit den neuen Daten wird es möglich sein die Verletzung der Lepton-Universalität nachzuweisen oder zu widerlegen. Neben der LHCb-Beteiligung wirken Wissenschaftler der Fakultät für Physik und Astronomie an zwei weiteren LHC-Experimenten – ALICE und ATLAS – mit. Im Rahmen von ALICE untersuchen sie die Eigenschaften des so genannten Quark-Gluon-Plasmas, aus dem unser Universum kurz nach dem Urknall möglicherweise bestanden hat. Das ATLAS-Experiment, mit dem 2012 das Elementarteilchen Higgs-Boson entdeckt wurde, ist auf der Suche nach Hinweisen auf Physikphänomene, die nicht zu den aktuellen Modellen passen. Mit ihrer zentralen Beteiligung an drei der vier großen LHC-Experimente nimmt die

Universität Heidelberg eine Spitzenposition in Deutschland bei der Erforschung der Struktur der Materie und dem Verständnis der Entwicklung unseres Universums ein.