Punktsieg für das Standardmodell

Am Large Hadron Collider (LHC), dem mächtigsten Teilchen­beschleuniger der Welt, untersuchen Forscher aus aller Welt Zerfälle von Teilchen, die bei hochenergetischen Kollisionen von Protonen produziert werden. Zum äußerst seltenen Zerfall eines speziellen B-Mesons in zwei Myonen hat die internationale LHCb-Kollaboration nun neue Erkenntnisse in gleich Papers veröffentlicht. Die Ergebnisse festigen das Standard­modell der Teilchenphysik. Von der TU Dortmund waren Johannes Albrecht von der Fakultät Physik und seine Doktoranden Titus Mombächer und Maik Becker an den Publikationen beteiligt.

Am LHC werden in einer ringförmigen, rund 27 Kilometer langen Röhre unter der Erde Pakete von Protonen zur Kollision gebracht. Dabei entstehen Milliarden von Elementarteilchen. Gigantische Detektoren zeichnen deren Spuren, ihre Energie und ihren Zerfall auf. Die Daten werden auch von den Dortmunder Physikern analysiert. Ziel ist es, das Standardmodell der Teilchenphysik zu testen. Die nun veröffentlichte Messung basiert auf insgesamt sechs Jahren der Daten­aufzeichnung am LHC zwischen 2011 und 2018. Sie beinhaltet damit die bisherigen Ergebnisse und fasst sie zusammen, bevor in diesem Jahr der LHC nach einem mehrjährigen technischen Stopp wieder gestartet wird und eine neue Periode der Daten­aufzeichnung beginnt.

In den beiden Publikationen geht es um den Zerfall eines bestimmten Typs von B-Mesonen, die aus einem Strange-Quark und einem Bottom-Anti-Quark bestehen, in zwei Myonen. Gemäß dem Standardmodell dürften von einer Milliarde dieser B-Mesonen nur etwa drei auf diese Weise zerfallen. Aus diesem Grund bedarf es sehr großer Datenmengen, um den Zerfall genau zu vermessen. Die LHCb-Kollaboration berichtet von der bis dato präzisesten Messung der Zerfallsrate durch ein einzelnes Experiment.

Die Forscher bestimmten die relative Häufigkeit des Zerfalls und berechneten außerdem die obere Ausschlussgrenze für die Rate des Zerfalls anderer ähnlicher Teilchen – nämlich des etwas leichteren neutralen B-Mesons aus Down- und Bottom-Anti-Quark, das gemäß dem Standardmodell um den Faktor 30 kleiner ist, sowie einer verwandten Variante des Zerfalls des Strange-haltigen neutralen B-Mesons, bei dem zusätzlich ein Photon abgestrahlt wird. „Es zeigte sich, dass innerhalb der erreichten Präzision alle Messungen mit dem Standardmodell kompatibel sind“, fasst Albrecht die Ergebnisse zusammen. „Damit werden die Möglichkeiten für Erweiterungen des Standard­modells stark eingeschränkt.“

Innerhalb der LHCb-Kollaboration wurde die Messung in einem großen Team mit Forschern aus Deutschland, England, Italien, den Niederlanden und der Schweiz durchgeführt. Die Dortmunder Arbeitsgruppe von Johannes Albrecht hat in den vergangenen neun Jahren wesentliche Beiträge zur aktuellen und zu vorherigen Messungen dieser Zerfälle geleistet.

TU Dortmund / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  LHCb Collaboration: Analysis of Neutral B-Meson Decays into Two Muons, Phys. Rev. Lett. 128, 041801 (2022); DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.041801
  LHCb Collaboration: Measurement of the B⁰_s→μ⁺μ⁻ decay properties and search for the B⁰→μ⁺μ⁻ and B⁰_s→μ⁺μ⁻γ decays, Phys. Rev. D 105, 012010 (2022); DOI: 10.1103/PhysRevD.105.012010
• LHCb Collaboration, CERN