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Wenn bei der Kollision von hochenergetischen Protonenstrahlen im LHC sogenannte Beauty-Quarks entstehen, zerfallen sie praktisch sofort an Ort und Stelle. Forschende des Large-Hadron-Collider-beauty-Experiments (LHCb-Experiment) rekonstruieren die Eigenschaften der kurzlebigen, zusammengesetzten Teilchen anhand ihrer Zerfallsprodukte. Nach den etablierten Gesetzen der Teilchenphysik – dem sogenannten Standardmodell – sollten die Beauty-Quarks mit der gleichen Wahrscheinlichkeit in einen Endzustand mit Elektronen bzw. Myonen, den viel schwereren Geschwistern der Elektronen, zerfallen. Seit 2014 deuten Messungen am LHC jedoch darauf hin, dass diese «Lepton-Universalität» in einigen Zerfällen verletzt werden könnte. Diese Zerfälle zeigten kleine Abweichungen vom Verhältnis der beiden Teilchensorten von der theoretischen Vorhersage von eins.
Zerfallsmessungen stimmen nicht mit Vorhersage der Teilchenphysik überein
In der neuesten LHCb-Analyse wurde das Verhältnis der Zerfallsprodukte, die Elektronen und Myonen enthalten, mit viel besserer Präzision bestimmt als bei früheren Messungen. Verwendet wurden alle bisher vom LHCb-Detektor gesammelten Daten. Das Ergebnis deutet auf eine Abweichung vom Verhältnis eins hin – und damit auf eine Verletzung der «Lepton-Universalität» in Beauty-Quark-Zerfällen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Daten mit der theoretischen Vorhersage vereinbar sind, beträgt etwa 0,1%. Sollte sich diese Abweichung bestätigen, würde dies eine Physik jenseits des Standardmodells implizieren – etwa eine neue fundamentale Kraft zusätzlich zu den vier Grundkräften: Gravitation, Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung, die für Radioaktivität verantwortlich ist, und starke Wechselwirkung, die die Materie zusammenhält. «Wenn eine Verletzung der ‹Lepton-Universalität› bestätigt werden sollte, wäre ein neuer physikalischer Prozess erforderlich, so wie beispielsweise die Existenz neuer grundlegender Partikel oder Wechselwirkungen», sagte LHCb-Sprecher Professor Chris Parkes von der University of Manchester und dem Cern. «Weitere Studien zu verwandten Prozessen werden unter Verwendung der vorhandenen LHCb-Daten durchgeführt. Wir sind gespannt, ob sie die interessanten Hinweise in den aktuellen Ergebnissen verstärken.»
Das Ergebnis wurde am 23. März 2021 erstmals an der Moriond-Konferenz über elektroschwache Wechselwirkungen und vereinheitlichte Theorien sowie an einem Online-Seminar am Cern vorgestellt.
LHCb collaboration: R. Aaij et. al. Test of lepton universality in beauty-quark decays. arXiv.org. 23 March 2021.
Das Large Hadron Collider beauty-Experiment (LHCb)
Das LHCb-Experiment ist eines der vier grossen Experimente am LHC am Cern in Genf. Entwickelt wurde es, um Zerfälle von Elementarteilchen zu untersuchen, die ein Beauty-Quark enthalten. Dies ist das Quark mit der höchsten Masse, das gebundene Zustände bildet. Die daraus resultierenden Präzisionsmessungen von Materie-Antimaterie-Unterschieden und seltenen Zerfällen von Teilchen, die ein Beauty-Quark enthalten, ermöglichen empfindliche Tests des Standardmodells der Teilchenphysik.
Mit Blick auf die Zukunft ist das LHCb-Experiment gut positioniert, um das mögliche Vorhandensein neuer physikalischer Effekte zu klären, die in den heute vorgestellten Zerfällen angedeutet werden, schreibt das Cern in einer Medienmitteilung. Das LHCb-Experiment werde voraussichtlich nächstes Jahr nach einem Upgrade des Detektors mit der Erfassung neuer Daten beginnen.
Quelle
M.A. nach Cern und Universität Zürich, Medienmitteilungen, 23. März 2021