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Seltene Teilchenzerfälle stützen Standardmodell
Forschende des Paul Scherrer Instituts haben aus den am CMS-Detektor am CERN gemessenen Daten erstmals den sehr seltenen Zerfall des Bs-Mesons in zwei Myonen mit hinreichender Sicherheit beobachtet und seine Häufigkeit bestimmt. Ihre Ergebnisse stimmen sehr gut mit den Voraussagen des Standardmodells der Teilchenphysik überein.
Die Untersuchung dieses Zerfalls ist aus zwei Gründen als Test des Standardmodells besonders geeignet: zum einen kann man recht genau berechnen, welche Wahrscheinlichkeit das Standardmodell voraussagt. Zum anderen ist der Zerfall so selten, dass bereits kleine Abweichungen der Messergebnisse vom berechneten Wert deutlich nachweisbar wären. Solche wären ein Hinweis auf
neue Physik, also Phänomene, die durch das Standardmodell nicht beschrieben werden. Das Standardmodell beschreibt die Welt der bekannten Elementarteilchen bisher sehr zuverlässig, erklärt aber beispielsweise nicht die Natur der im Universum beobachteten dunklen Materie, so dass nach erweiterten oder ergänzten Versionen des Modells gesucht wird.
Die Suche nach diesen seltenen Zerfällen des Bs-Mesons ist extrem aufwendig, weil es deutlich häufigere Zerfallswege gibt (nur eines von 300 000 000 Bs-Mesonen zerfällt auf diese Weise), deren Produkte sehr ähnlich sind und die zuverlässig herausgefiltert werden müssen. Forschende des PSI arbeiten seit 2005 an diesem Thema. Das PSI hat auch einen wesentlichen Teil des CMS-Detektors für CERN gebaut, der die bei den Zerfällen entstehenden Teilchen nachweist und dessen Qualität wesentlich für die guten Ergebnisse des Experiments ist.
Mit dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik lassen sich die beobachteten Vorgänge in der Welt der kleinsten Teilchen hervorragend beschreiben. Doch gibt es Objekte der physikalischen Welt, die das Standardmodell nicht erfasst, z.B. die sog.
dunkle Materie. Diese wird von Astronomen im Weltall beobachtet und bildet einen wesentlichen Teil der Materie im Universum. Über deren Natur wissen die Forschenden aber noch nichts. So suchen sie nach veränderten oder erweiterten Versionen des Standardmodells, die auch diese zusätzliche Materie enthalten. Um zu entscheiden, ob das
klassische Standardmodell oder eine modifizierte Form die physikalische Welt richtig beschreibt, untersuchen Forschende Vorgänge, die zum einen mit heutigen Methoden beobachtet werden können und für die zum anderen die unterschiedlichen Modelle verschiedene Voraussagen machen.
Seltene Zerfälle als Test des Standardmodells
Ein Beispiel für einen solchen Vorgang ist der Zerfall des Bs-Mesons (siehe Kasten). Ein Bs-Meson zerfällt in sehr kurzer Zeit (rund 0,000 000 000 001 5 Sekunden) in andere Teilchen. Dabei gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, welche Teilchen als Endprodukte eines solchen Zerfalls entstehen können. Eine Möglichkeit ist, dass das Meson nur in zwei Myonen zerfällt – ein positives und ein negatives. Zwei Aspekte machen diesen Zerfall als Test des Standardmodells besonders attraktiv. Zum einen lässt sich recht genau berechnen, welche Wahrscheinlichkeit das Standardmodell für diesen Zerfall voraussagt, so dass man diese Vorhersage gut mit den Messergebnissen vergleichen kann. Zum anderen ist der Zerfall sehr unwahrscheinlich (nach Voraussage zerfällt nur eines von 300 000 000 Bs-Mesonen auf diese Weise), so dass sich auch kleine Einflüsse einer
neuen Physik jenseits des Standardmodells in einer deutlichen Abweichung der Zerfallswahrscheinlichkeit vom vorhergesagten Wert zeigen würden. In der
neuen Physik würden zum Beispiel zusätzliche Teilchen existieren, die das Standardmodell nicht kennt. Diese könnten als weitere Zwischenstufe bei der Umwandlung des Bs-Mesons in zwei Myonen dienen, so dass sich ein neuer Weg für diesen Zerfall eröffnet, der seine Wahrscheinlichkeit verändert.
Ein Zerfall über diesen neuen Kanal wäre auch extrem unwahrscheinlich, seine Wahrscheinlichkeit aber vergleichbar mit derjenigen, die das Standardmodell voraussagt, so dass man die Abweichung deutlich erkennen würde erklärt Urs Langenegger, Physiker in der Arbeitsgruppe Hochenergiephysik am PSI, der das Projekt leitet
Bei einem Zerfall, der an sich viel wahrscheinlicher ist, liesse sich diese kleine Abweichung nicht nachweisen.
PSI-Forscher weisen die seltenen Zerfälle erstmals nach
Seit 2005 ist Urs Langenegger zusammen mit weiteren PSI-Forschenden für die Suche nach diesem Zerfall in den Daten des CMS-Detektors am CERN zuständig. Ihre Aufgabe ist, unter den Billionen von Billionen von Teilchen, die über die letzten vier Jahre am CMS-Detektor beobachtet worden sind, zuverlässig die Myonen zu finden, die aus einem der gesuchten Zerfälle stammen. Ihre Auswertung hat nun erstmals gezeigt, dass die Häufigkeit dieser Zerfälle sehr gut mit den Voraussagen des Standardmodells übereinstimmt. Die Ergebnisse wurden zeitgleich von den Kollegen an einem weiteren CERN-Experiment, dem LHCb, bestätigt.
Herausforderung: Die richtigen Myonen herausfiltern
Die Herausforderung bei diesen Untersuchungen ist, dass es unter den beobachteten Teilchen sehr viele gibt, die den gesuchten Myonen
ähnlich sind – sehr viel mehr als von den eigentlich gesuchten Teilchen. Diese
ähnlichen Teilchen muss man zuverlässig herausfiltern. Zunächst findet man Paare von Myonen, deren Bahnen von einem gemeinsamen Punkt ausgehen, so dass sie aus dem Zerfall eines Teilchens stammen können. Dann müssen die beiden Myonen die passenden Bewegungsenergien haben, die der Masse des zerfallenen Mesons entsprechen.
Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Isoliertheit – das heisst, dass in der Nähe der betrachteten Myonen keine weiteren Teilchen sind, die aus demselben Punkt kommen erklärt Langenegger
sonst kann es passieren, dass man zwei Myonen betrachtet, die aus zwei verschiedenen Zerfällen stammen, die nahe beieinander stattgefunden haben. Neben dem Myon entstehen dann aber jeweils viele weitere Teilchen, die für uns ein Zeichen sind, dass die Myonen nicht aus dem Zerfall stammen, den wir suchen. Schliesslich kommt es vor, dass andere Teilchen im Detektor zunächst wie Myonen aussehen. Auch diese muss man zuverlässig erkennen. Die vielen Kriterien, mit denen man die
richtigen von den
falschen Teilchen unterscheiden kann, mussten getestet und in entsprechende Computerprogramme umgesetzt werden, mit denen die Messergebnisse dann durchsucht werden konnten.
Dennoch wird es immer einzelne Myonenpaare geben, die
aussehen als würden sie aus dem richtigen Zerfall stammen, weil ihrer Energien der Masse des Bs-Mesons entsprechen, und die man nicht herausfiltern kann. Da diese Paare sich zufällig ergeben, wird es andere Paare geben, die aussehen als würden sie aus dem Zerfall eines Teilchens mit einer anderen Masse stammen. Das heisst, der Beweis, dass man den gesuchten Zerfall gefunden hat, ist erst erbracht, wenn man für die korrekte Masse deutlich mehr Paare beobachtet als für andere Massen.
Detektor aus dem PSI zeigt genaue Teilchenbahnen
Forscher aus dem PSI waren nicht nur für die Auswertung der Daten für den Zerfall des Bs-Mesons verantwortlich, sie haben auch einen wesentlichen Teil des CMS-Detektors gebaut und entwickelt – den Pixeldetektor, der den innersten Teil des Gesamtdetektors darstellt. Der Pixeldetektor macht es möglich, die Bahnen der Teilchen so genau zu bestimmen, dass man nachvollziehen kann, welche Bahnen aus demselben Punkt kommen und die beobachteten Teilchen demnach aus dem Zerfall ein und desselben Teilchens stammen. Von dem Detektor profitieren alle Forscher, die Daten des CMS-Detektors auswerten – darunter diejenigen, die nach dem Higgs-Teilchen suchen.
Die Suche nach
neuer Physik geht weiter
Die Tatsache, dass die Zerfallswahrscheinlichkeit des Bs-Mesons in zwei Myonen die Voraussage des Standardmodells bestätigt, bedeutet nicht, dass es keine
neue Physik gäbe. Sie schliesst nur eine Reihe von Modellen aus, die für diesen Zerfall eine andere Wahrscheinlichkeit angeben. So gibt es noch weitere Experimente, die die Voraussagen des Standardmodells testen. Etwa das MEG-Experiment, das am PSI selbst durchgeführt wird und bei dem die Forschenden nach einem extrem seltenen Zerfall des Myons suchen. Die Forscher um Urs Langenegger zielen als nächstes auf die
gewöhnlichen B-Mesonen. Auch deren Zerfälle in zwei Myonen eignen sich gut als Test des Standardmodells.
Die Daten aus den bisherigen CERN-Experimenten reichen aber nicht aus, um diese Zerfälle zu untersuchen, erklärt Langenegger
das dürfte sich ändern, wenn der der grosse Beschleuniger LHC am CERN im Jahr 2015 wieder anläuft. Vielleicht liefert die Beobachtung der B-Zerfälle dann Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells. Und wir werden wieder dabei sein.
Hintergrund: Experimentieren am LHC
Im grossen Beschleunigerring LHC (Large Hadron Collider) des CERN, an dem das CMS-Detektor installiert ist, kreisen Pakete von Protonen in entgegengesetzten Richtungen. An vier Stellen innerhalb des Ringes lässt man die Pakete miteinander kollidieren, so dass einige der Protonen frontal aufeinanderstossen – im Durchschnitt 20 bei jeder einzelnen Kollision. Die Zusammenstösse der Protonen sind so heftig, dass dabei jedes Mal viele neue Teilchen entstehen. Die meisten davon sind sehr kurzlebig und zerfallen gleich in weitere Teilchen. An jedem der vier Kollisionspunkte am Beschleuniger gibt es einen Detektor, mit dem man die entstandenen Teilchen beobachten kann. Dieser besteht genaugenommen aus mehreren Sub-Detektoren, die wie russische Matrjoschka-Puppen ineinander geschachtelt sind. Die Teilchen fliegen durch diese Detektoren hindurch und werden dort nachgewiesen. Innerhalb des Detektors befinden sich auch starke Magnete, die die elektrisch geladenen Teilchen von der geraden Bahn ablenken. Aus der Krümmung dieser Bahn kann man den Impuls, also das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit bestimmen. Aus den gesammelten Informationen kann man feststellen, welcher Art die Teilchen waren, die man gesehen hat und auf welchen Bahnen sie geflogen sind.
Hintergrund: Das Bs-Meson und das Myon.
Die Dinge um uns herum bestehen aus den Atomen verschiedener chemischer Elemente, die Atome bestehen wiederum aus Neutronen und Protonen im Kern, der von Elektronen umkreist wird. Neutronen und Protonen bestehen wiederum aus jeweils drei Quarks – das Neutron aus zwei d- und einem u-Quark, das Proton aus einem d- und zwei u-Quarks. Neben diesen beiden Quark-Arten, die Grundbausteine der Dinge unseres Alltags sind, gibt es noch vier weitere schwerere Quarks, die aber nur in instabilen Teilchen auftreten, die schnell zerfallen. Zu jedem dieser sechs Quarks existieren Anti-Quarks, mit weitgehend gleichen Eigenschaften, aber mit entgegengesetzter elektrischer Ladung. Zusammengesetzte Teilchen bestehen entweder aus drei Quarks oder einem Quark und einem Anti-Quark. Die letzteren Teilchen nennt man Mesonen – zu ihnen gehören auch die Bs- und die B-Mesonen. Das Bs-Meson besteht aus einem b-Anti-Quark und einem s-Quark, das B-Meson aus einem b-Anti-Quark und einem d-Quark. Ähnlich wie es zu den leichten Quarks schwerere instabile Pendants gibt, gibt es auch vom Elektron zwei schwerere Versionen – darunter das Myon, das rund 207-mal schwerer ist und in zwei Versionen – positiv und negativ elektrisch geladen – vorkommt.
Text: Paul Piwnicki
Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.