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Seltene Teilchenzerfälle liefern Hinweise auf Abweichungen vom Standardmodell
Seltene Zerfälle schwerer Teilchen könnten auf Lücken im Standardmodell der Physik hinweisen. Zwei Analysen am Teilchenbeschleuniger LHC liefern nun neue Anhaltspunkte: Bei sechs Zerfallsarten findet CMS tendenziell niedrigere Raten als vorhergesagt, während LHCb Unstimmigkeiten in den Winkelverteilungen misst. Ein Nachweis unbekannter Teilchen ist das noch nicht.
Genf (Schweiz). Das Standardmodell beschreibt die bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen mit hoher Genauigkeit. Doch gerade bei sehr seltenen Zerfällen könnte sich zeigen, ob in der Theorie noch etwas fehlt. Besonders aufschlussreich ist der Übergang eines Beauty- oder Bottom-Quarks in ein Strange-Quark, bei dem zugleich ein Myon und sein Antiteilchen entstehen.
Myonen ähneln Elektronen, sind aber wesentlich schwerer. Der beschriebene Quarkwechsel wird über die schwache Wechselwirkung vermittelt und ist nur durch indirekte quantenphysikalische Prozesse möglich. Ungefähr bei einem von zehn Millionen Zerfällen von Teilchen mit Beauty-Quarks kommt er vor. Zusätzliche bislang unbekannte Teilchen könnten diesen Weg beeinflussen, ohne selbst direkt im Detektor aufzutauchen.
Um solchen möglichen Effekten nachzugehen, haben zwei internationale Teams den gleichen Grundprozess nun mit unterschiedlichen Methoden untersucht. Die am Large Hadron Collider (LHC) betriebenen Experimente Compact Muon Solenoid (CMS) und Large Hadron Collider beauty (LHCb) ermitteln dabei verschiedene Eigenschaften kurzlebiger Teilchen, die bei Protonenkollisionen entstehen. Ihre Ergebnisse lassen sich deshalb nicht einfach zu einer gemeinsamen Messung zusammenfassen.
Die CMS-Kollaboration hat die Häufigkeit von sechs Varianten des seltenen Zerfalls bestimmt. Dazu nutzte sie Protonenkollisionen aus den Jahren 2022 bis 2024 mit einer integrierten Luminosität von 172 inversen Femtobarn, einer Messgröße für die gesammelte Datenmenge. Ein spezieller Auslöser für Myonenpaare half, ungewöhnlich viele passende Ereignisse aufzuzeichnen und die statistischen Unsicherheiten zu verkleinern.
Anders als bei früheren Einzelmessungen wertete das Team alle sechs Zerfallswege gemeinsam aus. Dadurch konnte es gemeinsame Hintergrundsignale und Fehlerquellen einheitlich berücksichtigen. Die ermittelten Zerfallshäufigkeiten liegen tendenziell unter verschiedenen Vorhersagen des Standardmodells. Am deutlichsten zeigt sich dies beim Zerfall eines Bₛ⁰-Mesons in ein Phi-Meson und zwei Myonen, während andere Zerfallsarten näher an den theoretischen Erwartungen liegen.
Entscheidend ist deshalb nicht allein die Richtung der Abweichung, sondern auch deren Unsicherheit. Für den Zerfall eines Beauty-Baryons blieb die Statistik vergleichsweise begrenzt. Andere von CMS geprüfte Größen, darunter die Unterschiede zwischen den Zerfallsraten geladener und neutraler B-Mesonen, stimmten dagegen mit dem Standardmodell überein. Von einer einheitlich signifikanten Abweichung in allen sechs Kanälen kann somit keine Rede sein.
Das LHCb-Experiment hat dagegen den Zerfall eines neutralen B-Mesons in ein angeregtes Kaon sowie ein Myon und ein Antimyon untersucht. Das angeregte Kaon zerfällt anschließend in ein gewöhnliches Kaon und ein Pion. Die Forscher analysierten Daten früherer LHC-Laufzeiten mit insgesamt 8,4 inversen Femtobarn, um die räumliche Verteilung dieser Zerfallsprodukte besonders genau zu rekonstruieren.
Statt das Verhalten bereits durch ein bestimmtes physikalisches Wirkungsmodell vorzugeben, beschrieben sie die Zerfallsamplituden zunächst mithilfe mathematischer Funktionen direkt aus den Messdaten. Daraus ließen sich Winkelgrößen wie S₅ und eine Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie bestimmen. Bei deren anschließendem Vergleich mit Modellrechnungen zeigten sich erneut Unterschiede zu den Erwartungen des Standardmodells. Die weitgehend modellunabhängige Datenauswertung bedeutet allerdings nicht, dass auch die spätere Deutung ohne theoretische Annahmen auskommt.
In einer solchen Deutung wird ein Parameter namens C₉ be