Nach 42 Jahren Suche liefert das CERN-Experiment LHCb den ersten Hinweis eines einzelnen Experiments auf einen extrem seltenen Teilchenzerfall. Etwa eines von zehn Milliarden B⁰-Mesonen soll dabei in ein Myonenpaar zerfallen, wie es das Standardmodell vorhersagt. Ein neues Teilchen wurde dabei nicht gefunden. Für die Suche im Zeptoversum zählt eine Eigenschaft, die solche seltenen Zerfälle zu besonders empfindlichen Messfühlern macht.
Mit einer Signifikanz von 3,2 Sigma hat das LHCb-Experiment am CERN einen Hinweis auf den Zerfall B⁰ → μ⁺μ⁻ aus einem gewaltigen Teilchenhintergrund herausgearbeitet. Hinter der Analyse stehen 19 Physiker, die unter anderem aus Deutschland, Großbritannien und Italien an der gemeinsamen Auswertung beteiligt waren. Geleitet wurde das Team von Harry Cliff am Cavendish Laboratory in Cambridge und Marco Santimaria vom italienischen Forschungsinstitut INFN. Die Arbeit liegt als noch nicht begutachteter Preprint vor und wurde bei der Fachzeitschrift Physical Review X eingereicht. Für die Suche nach dem Zeptoversum analysiert das Team die Produkte von Protonenkollisionen im Large Hadron Collider bei Genf.
Am damaligen Experiment an der Cornell University stand ein elektrisch neutrales B-Meson im Mittelpunkt, ein Verbund aus einem Quark und einem Antiquark. In der Schreibweise der Facharbeit besteht es aus einem Down-Quark und einem Beauty-Antiquark; die entsprechenden Antimaterieprozesse werden ebenfalls berücksichtigt. Beauty-Quarks gehören zu den schweren Verwandten jener Quarks, aus denen gewöhnliche Atomkerne aufgebaut sind, und entstehen bei energiereichen Zusammenstößen. Gesucht wird ein Zerfallsweg, an dessen Ende ein negativ geladenes Myon und sein positiv geladenes Antiteilchen aus dem Mutterteilchen hervorgehen. Beide ähneln Elektronen, besitzen aber eine größere Masse und hinterlassen messbare Spuren, anhand derer sich der ursprüngliche Vorgang rekonstruieren lässt.
Einen wichtigen Zwischenschritt erreichten LHCb und das zweite CERN-Experiment CMS im Jahr 2015, als sie ihre damaligen Messdaten gemeinsam auswerteten. Dabei gelang der Nachweis eines verwandten Zerfalls des Bₛ-Mesons, das statt des Down-Quarks ein Strange-Quark enthält. Gleichzeitig berichteten die Teams über erste Anzeichen für den noch selteneren gesuchten Kanal, die sich in späteren Analysen nicht bestätigten. Über lange Zeit konnten die Experimente deshalb vor allem eingrenzen, wie häufig dieser Vorgang höchstens stattfinden durfte.
Für die Physiker in Cambridge beschreibt der Begriff einen Bereich extrem kurzer Abstände, in dem bislang unbekannte Wechselwirkungen wirksam sein könnten. Der Zugang entsteht durch Quantenprozesse: Auch Teilchen, deren Masse für eine direkte Erzeugung im Beschleuniger zu groß wäre, können bekannte Zerfälle beeinflussen. In den Berechnungen tragen sie als virtuelle Zwischenzustände dazu bei, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein bestimmter Endzustand entsteht. Messbar wäre dieser Einfluss etwa daran, dass ein vertrautes Teilchen häufiger oder seltener auf einem bestimmten Weg zerfällt als erwartet.
Im Standardmodell ist der untersuchte Übergang stark unterdrückt, weil er nur über komplizierte quantenmechanische Zwischenprozesse zustande kommt. Zusätzliche Wechselwirkungen hätten deshalb gegenüber dem kleinen bekannten Beitrag vergleichsweise viel Gewicht und könnten die messbare Häufigkeit deutlich verändern. Direkte Nachweise haben am LHC bereits exotische Teilchen aus mehreren Quarks erschlossen; bei noch schwereren Kandidaten bieten solche Präzisionsmessungen einen ergänzenden Zugang. Zu den theoretisch untersuchten Erweiterungen gehören zusätzliche Higgs-Teilchen, neue Z′-Bosonen und Leptoquarks, die unterschiedliche Spuren in Zerfallsraten hinterlassen würden. Welche Kombinationen aus Masse und Wechselwirkungsstärke noch zulässig sind, lässt sich durch den Vergleich von Vorhersage und Messwert zunehmend eingrenzen.
Unmittelbar an den Protonenstrahlen beginnt die Arbeit des Vertex Locator, kurz VELO, dessen Silizium-Pixelsensoren die ersten Teilchenspuren erfassen. Das in Liverpool montierte Instrument liefert die räumlichen Informationen, mit denen die Analyse Entstehungsort und Zerfallsort kurzlebiger Teilchen auseinanderhält. Aus den Spuren lässt sich prüfen, ob die registrierten Produkte zu einem gemeinsamen Ursprung passen oder nur zufällig zusammen betrachtet werden. Verdampfendes Kohlendioxid strömt durch Mikrokanäle und kühlt die empfindlichen Sensoren, während sie im Vakuum des Beschleunigers arbeiten.
Stefano De Capua leitete die Fertigung der Detektoren in Manchester, wo das Team mit annähernd 90 britischen Unternehmen zusammenarbeitete. Chris Parkes führte die internationale LHCb-Kollaboration durch den Ausbau, dessen Planung und Bau nach Angaben der Universität etwa anderthalb Jahrzehnte beanspruchten. Weiter hinten in der Anlage übernehmen großflächige Detektorkammern die gezielte Erkennung von Myonen, die für diesen Zerfall besonders wichtig ist. Das Myonensystem umfasst 435 Quadratmeter Mehrdraht-Proportionalkammern, von denen viele am INFN-Labor in Frascati gebaut wurden und bereits seit langem Daten liefern. Barbara Sciascia, die dieses System leitet, hebt dessen Fähigkeit hervor, die gesuchten Teilchen auch im dichten Hintergrund zuverlässig zu identifizieren.
Für die neue Analyse nutzte das Team Protonenkollisionen bei einer Energie von 13,6 Teraelektronenvolt, die mit dem modernisierten Detektor aufgezeichnet wurden. Hinzu kamen frühere Messungen aus dem Zeitraum 2011 bis 2018, sodass sich verschiedene Betriebsphasen desselben Experiments gemeinsam auswerten ließen. Der Ausbau ermöglicht eine bis zu fünfmal höhere Datenaufnahme und verbessert zugleich die Unterscheidung verschiedener Teilchenarten, wie die University of Manchester erläutert. Eine größere Stichprobe erhöht die Chance, seltene Vorgänge zu erfassen; eine bessere Teilchenerkennung verringert gleichzeitig die Zahl irreführender Kandidaten.
Beim Aussortieren des Hintergrunds half maschinelles Lernen in Form trainierter Entscheidungsbäume, die mehrere gemessene Eigenschaften eines Kandidaten gemeinsam bewerten. Dazu gehören die Qualität der rekonstruierten Spuren, die Lage des Zerfallsortes und weitere Spuren in der Umgebung des Kandidaten. Aus den gemessenen Bewegungen der Myonen berechnet das Team außerdem ihre gemeinsame invariante Masse, die bei einem passenden Mutterteilchen eine Häufung erzeugt. Der interessante Massenbereich blieb während der Entwicklung der Analyse verborgen und wurde erst ausgewertet, nachdem die Verfahren festgelegt waren. Dieses in der Originalarbeit beschriebene Vorgehen schützt davor, Auswahlschritte unbewusst so anzupassen, dass ein bereits gesehenes Signal überzeugender erscheint.
Allein die jüngere Stichprobe erreicht eine statistische Signifikanz von drei Standardabweichungen und damit die übliche Schwelle für Evidenz. Die zusätzliche ältere Stichprobe verstärkt das Signal, reicht aber noch nicht bis zu dem strengeren Maßstab, den die Teilchenphysik für eine Entdeckung verwendet. Bei dieser höheren Schwelle wäre ein mindestens so signalartiges Ergebnis durch reine Hintergrundschwankungen nur etwa einmal unter 3,5 Millionen gleichartigen Versuchen zu erwarten. Vorausgesetzt wird dabei, dass das verwendete Hintergrundmodell zutrifft; die Zahl beschreibt keine unmittelbare Wahrscheinlichkeit dafür, dass eine wissenschaftliche Aussage falsch ist. Warum dafür die Häufung vieler Ereignisse zählt, erläutert das CERN auch anhand der statistischen Suche nach dem Higgs-Boson.
Zusätzlich zum neuen Hinweis liefert die Auswertung die bislang präzisesten Messungen der Zerfallshäufigkeit und effektiven Lebensdauer des verwandten Bₛ-Kanals. Dieser Zerfall tritt nach der theoretischen Erwartung ungefähr dreißigmal häufiger auf und erlaubt deshalb schon eine genauere Untersuchung seiner Eigenschaften. Die effektive Lebensdauer beschreibt die mittlere Zerfallszeit dieses Kanals nach Korrektur der Detektoreffekte; eine Pikosekunde entspricht einem Billionstel einer Sekunde. Für manche Erweiterungen des Standardmodells ist die zeitliche Verteilung besonders aufschlussreich, weil sich dort ein Einfluss zeigen kann, während die Häufigkeit unverändert bleibt. Sämtliche Messwerte stimmen nach Angaben der LHCb-Kollaboration innerhalb ihrer Unsicherheiten mit dem Standardmodell überein. Bei der Lebensdauer beträgt die statistische Unsicherheit 0,16 Pikosekunden und die systematische 0,01 Pikosekunden, die etwa Detektoreffekte berücksichtigt.
Auch zusätzliche bereits aufgezeichnete Kollisionen stehen für weitere Analysen bereit: Die Protonenaufnahme der dritten LHC-Betriebsphase endete im Juni 2026. Deren vollständiger Datensatz geht über den bislang verwendeten Ausschnitt hinaus, sodass der nächste Fortschritt auch aus vorhandenen Aufzeichnungen kommen kann. Zugleich bereitet der Umbau des LHC den Start seiner leistungsfähigeren Ausbaustufe vor, der für 2030 geplant ist. Mitte der 2030er-Jahre soll ein weiterer LHCb-Ausbau die Datenaufnahme nochmals ungefähr verzehnfachen; in der Experimentierhalle laufen bereits vorbereitende Arbeiten.
CERN, LHCb finds evidence of one-in-ten-billion particle decay.
LHCb collaboration, Evidence for the decay B⁰ → μ⁺μ⁻ and improved measurements of the decay B⁰ₛ → μ⁺μ⁻; arXiv:2611.00230, Preprint, eingereicht bei Physical Review X.
University of Cambridge, Physicists knock at the door of the zeptoverse.
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