Exotischer Teilchenzerfall Physikalischer Fachartikel hat 3000 Autoren

Zwei Forschergruppen am Teilchenbeschleuniger LHC haben sich zusammengetan: Sie beobachteten einen extrem seltenen Zerfall von Elementarteilchen. Ein großes Thema für ein außergewöhnlich großes Team.

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Teilchenkollision am LHCb-Detektor (Archivbild): Exotischer Zerfall
CERN on behalf of LHCb Collaboration

Teilchenkollision am LHCb-Detektor (Archivbild): Exotischer Zerfall


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Was genau drin steht, verstehen nur Spezialisten. Und doch ist schon auf den ersten Blick klar, dass diese Forschungsarbeit Wissenschaftsgeschichte schreiben wird. Mehr als 3000 Namen stehen unter einem Artikel, der in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Nature" erscheint. Es geht um einen seltenen Zerfall von Elementarteilchen, der am Teilchenbeschleuniger LHC am Europäischen Kernforschungszentrum Cern beobachtet wurde.

Auf acht Seiten physikalischer Ausführungen folgen noch einmal fünf mit der Autorenliste. Teilchenphysiker arbeiten ohnehin in großen Teams zusammen - auch Kollaborationen genannt. Doch diesmal haben sich zwei von ihnen zusammengeschlossen. Jede Kollaboration kümmert sich um einen der riesigen Detektoren am LHC. Schon bei der Entdeckung des Higgs-Bosons hatten Daten von zwei Detektoren eine Rolle gespielt. Die beiden Forscherteams hatten ihre Ergebnisse damals aber getrennt publiziert.

Worum geht es bei der aktuellen Entdeckung nun konkret? Ein kurzlebiges Partikel, ein sogenanntes B-Meson, ist vor den Augen der Forscher in zwei Myonen zerfallen, das sind eine Art schwere Cousins der Elektronen. Rund 50 Mal haben sie dieses Ereignis beobachtet - und das war nicht einfach: Unter einer Milliarde Zerfällen tritt es nur rund drei Mal auf.

Die riesigen Teilchendetektoren CMS und LHCb haben den Zerfall gemeinsam analysiert - und erreichen damit eine deutlich höhere Genauigkeit als es einzeln möglich wäre. Das ist die erste Besonderheit an dem Paper: Erst jetzt, nach drei Jahrzehnten der Suche, können die Wissenschaftler mit endgültiger Gewissheit belegen, dass der beschriebene Zerfall tatsächlich existiert.

Um das tun zu können, mussten sich die Physiker durch große Datenberge graben. Wenn im Beschleunigerring des LHC, tief unter dem schweizerisch-französischen Grenzgebiet, die Protonen mit großer Energie aufeinandertreffen, dann entstehen ganze Kaskaden an Partikeln. Die zerfallen schnell wieder - und je heftiger die Zusammenstöße, desto exotischere Teilchen können auftauchen.

Das Standardmodell hat seine Grenzen, doch wo sind die?

Insgesamt 100.000 Milliarden Ereignisse sind auf den Cern-Rechnern bisher gespeichert - und das ist nur ein winziger Bruchteil der Kollisionen, die tatsächlich stattgefunden haben. 20-30 Petabyte an Daten werden pro Jahr im riesigen Rechenzentrum gespeichert, also 20.000 bis 30.000 Terabyte. Dabei fällt bei den Experimenten sogar noch viel mehr an: ein Petabyte pro Sekunde.

Aus den vorgefilterten und gespeicherten Informationen mussten die Forscher die für sie interessanten Kollisionen rekonstruieren. Die Daten stammen noch aus dem ersten Lauf des LHC, gerade wird der zweite vorbereitet. Ab Anfang Juni soll es Hochenergie-Kollisionen mit bisher noch nie erreichten 13 Teraelektronenvolt geben.

Im Video: Wie sucht man das Unbekannte?

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Interessant ist das, weil die Wissenschaftler darauf hoffen, mit Hilfe des LHC eine Brücke zu einer Physik jenseits des sogenannten Standardmodells beschreiten zu können. Denn das beschreibt einerseits sehr gut die bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen, berücksichtigt aber nicht die Dunkle Materie und Dunkle Energie. Zugespitzt ausgedrückt: So schön es auch ist, etwa 95 Prozent des Universums entziehen sich dem Modell.

Die Physik jenseits von ihm ließe sich zum Beispiel mit sogenannten supersymmetrischen Modellen erklären. Die besagen, sehr vereinfacht, dass es zu jedem bekannten Elementarteilchen noch einen schwereren Partner gibt. Für das Photon, das Lichtteilchen, wäre das zum Beispiel das Photino. Für ein Boson das Bosino. Dumm nur: Bisher hat niemand solche Partikel beobachten können. Sehnlich hoffen Forscher darauf, dass sich das in der zweiten Runde am LHC ändert.

Die aktuelle Forschungsarbeit zum seltenen Zerfall der B-Mesonen stärkt aber erst einmal dem Standardmodell den Rücken. Er schränkt die Möglichkeiten für die Supersymmetrie stark ein - und das ist die zweite Besonderheit an dem Artikel. Von "guten Nachrichten für das Standardmodell und nicht so guten Nachrichten für die Physik jenseits davon" schreibt Physikerin Daria Zieminska von der Indiana University Bloomington in einem Begleitkommentar zur aktuellen "Nature"-Studie.

"Der Zerfall ist sehr genau im Standardmodell vorhergesagt", erklärt Johannes Albrecht von der TU Dortmund, der am LHCb-Experiment arbeitet. Würde Supersymmetrie eine wichtige Rolle spielen, dann müsste die Zerfallsrate deutlich höher sein als beobachtet. "Wir sehen also höchstens kleine Beiträge durch Supersymmetrie", sagt Albrecht.

Ganze Klassen von supersymmetrischen Modellen ließen sich durch die aktuellen Beobachtungen ausschließen, so Johannes Albrecht. Umgekehrt könne man aber auch nicht sagen, dass es mit der Supersymmetrie ganz vorbei sei. Die Theorie sei extrem flexibel. Also werden die Forscher am LHC weiter Teilchen kollidieren lassen, schon in wenigen Wochen mit nie gekannter Kraft. Und sie werden Daten sammeln, unvorstellbare Mengen. Bis zum Jahr 2023 sollen in den Rechenzentren rund 400 Petabyte zusammenkommen.

Und womöglich liefert bereits die aktuelle Forschungsarbeit einen Weg, wie es weiter vorangehen könnte. Neben dem entdeckten und beschriebenen Mesonen-Zerfall (B°S-Teilchen, Wahrscheinlichkeit: drei aus einer Milliarde) gibt es noch einen weiteren, auf den die Daten Hinweise liefern - wenn auch mit deutlich geringerer statistischer Signifikanz. Hier zerbröselt ein anderer Typ von Meson (B°-Teilchen), ebenfalls in zwei Myonen. Dabei liegt die beobachtete Wahrscheinlichkeit bei etwa eins aus zehn Milliarden - und damit um den Faktor vier höher als das Standardmodell vorhersagt.


Zusammengefasst: Rund 3000 Wissenschaftler an zwei Detektoren des Europäischen Kernforschungszentrums Cern haben einen seltenen Zerfall von Elementarteilchen erstmals mit Gewissheit nachweisen können. Ein sogenanntes B-Meson zerfällt dabei in zwei Myonen. Das ist wichtig, weil das Standardmodell der Teilchenphysik zur Häufigkeit des Phänomens genaue Vorhersagen macht. Die Forscher konnten diese Vorhersagen nun bestätigen. Das stärkt das Standardmodell und schränkt gleichzeitig den Spielraum für mögliche Modelle zu seiner Erweiterung ein. Nach denen wird weiter gesucht.

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