Fehlendes Puzzleteil entdeckt

Vor mehr als 30 Jahren wurde der Übergang des D-Mesons in sein Antiteilchen von Theoretikern vorhergesagt. Kürzlich konnten Forscher der Babar-Kollaboration in den USA diesen Effekt nachweisen [1]. Er stellt einen der noch wenigen fehlenden Messungen im Standardmodell dar und wird als wichtiger Meilenstein in der Elementarteilchenphysik betrachtet.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik stellt zur Zeit die genaueste Beschreibung der uns sichtbaren Materie im Universum dar. Es gibt keine aktuellen Messungen, die im direkten Konflikt mit ihm stehen. Allerdings gibt es verschiedene Beobachtungen, aus denen wir schließen können, dass das Standardmodell noch erweitert werden muss, in einer Art, wie es beispielsweise in den verschiedenen Supersymmetrie-Modellen oder der Stringtheorie versucht wird.

Im Standardmodell fehlen allerdings noch einige wenige Puzzleteile, um das Bild zu vervollständigen. Eines ist das so genannte Higgs-Boson, das notwendig ist, um beispielsweise die Massen verschiedener Elementarteilchen erklären zu können. Ein weiteres ist die vor mehr als 30 Jahren vorhergesagte D-Mischung. Sie beschreibt den Übergang eines neutralen D-Mesons in sein Antiteilchen nach dem seit vielen Jahren ergebnislos gesucht wurde.

In Abbildung 1 sind einige der Feynman-Diagramme des D-Mesonzerfalls in ein K- und π-Meson gezeigt. In etwa 3,8% aller Fälle zerfällt ein D ⁰-Meson in ein K ^- und ein π ⁺ (Abb. 1a). Sehr viel seltener ist der Zerfall in ein K ⁺ und ein π ^- (Abb. 1b). Im vorliegenden Fall kann allerdings auch die D-Mischung zu diesem Zerfall betragen, in dem sich das D ⁰-Meson zuerst in sein Antiteilchen umwandelt und erst anschließend zerfällt (Abb. 1c). Das Verhältnis der Zerfallsraten von D ⁰ à K ⁺π ^- und D ⁰ à K ^-π ⁺ wird daher von der Mischung des D ⁰-Mesons beeinflusst und erlaubt den Nachweis der D-Mischung in diesem Zerfall.

Abb. 1: Zerfallsmöglichkeiten: Feynman-Diagramme zur Darstellung der Zerfälle des D ⁰-Mesons: a) in etwa 3,8 % der Fälle zerfällt das D ⁰-Meson in ein K ^- und ein π ⁺, sehr viel seltener in ein K ⁺ und ein π ^- b). In c) ist der Zerfall des D ⁰-Mesons über die Mischung dargestellt, in dem es sich vor dem Zerfall in sein Antiteilchen umwandelt.

Der Teilchenbeschleuniger PEP-II am SLAC in Amerika wurde mit dem Babar-Detektor eigentlich dazu entwickelt, B-Mesonen und ihre Eigenschaften mit sehr hoher Statistik zu untersuchen. Allerdings werden auch die meisten anderen Elementarteilchen in einer bislang unerreicht hohen Anzahl produziert. Bei Babar war man in der Lage, aus über einer Milliarde aufgezeichneten Kollisionen mehr als eine Million neutrale D-Mesonen zu rekonstruieren, die in ein K- und π-Meson zerfielen. Man untersuchte neben dem Verhältnis der Zerfallsraten D ⁰ à K ⁺π ^- und D ⁰ à K ^-π ⁺, wie oben angedeutet, auch weitere Parameter, die diesen Zerfall beschreiben. Hierbei wies man nach, dass sich in etwa 500 Fällen das D-Meson in sein Antiteilchen umgewandelt hatte bevor es zerfiel (Abb. 1c). Diese Rate stimmt gut mit Modellrechnungen des Standardmodells überein.

Derzeit sind die experimentellen und theoretischen Fehler noch relativ groß. Dies sollte sich aber in den nächsten zwei bis drei Jahren ändern. Zum einen ist es nur eine Frage der Zeit, weitere Datenmengen bei Babar zu sammeln, zum anderen sollte dieses Jahr der Umbau des KEK-B-Beschleunigers am KEK in Japan abgeschlossen sein. Die Daten des dortigen Belle-Detektors könnten mühelos mit denen von Babar kombiniert werden, und die erwarteten Datenraten dort liegen noch um einiges höher als bei Babar.

Die beschriebene Messung ist äußerst wichtig, da im Gegensatz zur Mischung bei K- und B-Mesonen, bei denen dieser Effekt bereits seit vielen Jahren beobachtet wird und die Mischung mit guter Genauigkeit vermessen wurde, die D-Mischung über die down-artigen Quarks d, s, b (Abb. 1c) stattfindet. Diese virtuellen Teilchen, die nach außen hin nicht in Erscheinung treten, könnten durch im Standardmodell unbekannte Teilchen ersetzt werden und damit den Zerfall des neutralen D-Mesons beeinflussen. Eine Abweichung von dem im Standardmodell erwarteten Ergebnis in der D-Mischung würde deshalb direkt auf neue Physik jenseits des Standardmodells hinweisen. Man wartet daher mit Spannung auf eine höhere Statistik, um die Messfehler zu verringern.

Thomas Ziegler, Genf

Quelle: Physik in unserer Zeit 3/2007, S. 111

Weitere Infos:

• [1] B. Aubert et.al., Phys. Rev. Lett. Im Druck.
  http://www.arxiv.org/abs/hep-ex/0703020