Seltene Teilchenzerfälle stützen Standardmodell

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 B_s-Mesons (siehe Kasten). Ein B_s-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 B_s-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 B_s-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 B_s-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 B_s-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 B_s-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.

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.