LHC: Hinweis auf unbekanntes Teilchen?

Spannende Diskrepanz: Eine Anomalie bei Protonenkollisionen im Large Hadron Collider (LHC) könnte auf ein noch unbekanntes Teilchen hindeuten. Bei Zerfällen des sogenannten B-Mesons wurden deutlich mehr Elektronen als Myonen erzeugt – nach dem Standardmodell müssten beide jedoch gleich häufig sein. Noch reicht die Signifikanz für eine Entdeckung nicht aus, die Anomalie passt aber zu weiteren, früher schon festgestellten Abweichungen.

Von den energiereichen Kollisionen im Teilchenbeschleuniger LHC erhoffen sich die Physiker Antworten auf offene Fragen zum Standardmodell – und möglicherweise die Entdeckung noch unbekannter Teilchen. Tatsächlich gab es seit der Entdeckung des Higgs-Bosons Abweichungen bei den Teilchenzerfällen, die auf ein schweres, noch unbekanntes Boson hinzudeuten schienen. Und auch beim Zerfall der sogenannten B-Mesonen im Detektor LHCb wurden schon mehrfach Anomalien registriert.

Blick auf Elektronen und Myonen

Jetzt haben die Physiker der LHCb-Kollaboration erneut Abweichungen bei genau dieser Zerfallsform detektiert. Bei den Protonenkollisionen im Detektor entstehen als Zwischenprodukt die kurzlebigen B-Mesonen– Teilchen aus jeweils einen Quark und Antiquark. Bei einem der Zerfälle dieser Teilchen entsteht neben einem K-Meson und einem Antiteilchen entweder ein Elektron oder ein Myon.

Nach dem gängigen Standardmodell müssten bei dieser Zerfallsform immer gleich viele Elektronen und Myonen entstehen. Weil beide zur Teilchenform der Leptonen gehören, schreibt dies die sogenannte Lepton-Universalität vor. Nach ihr müssten alle Leptonen auf die gleiche Weise mit den Grundkräften interagieren und sich daher gleich verhalten.

Deutliche Abweichung

Doch genau dies ist offenbar nicht der Fall: Im Detektor LHCb entstanden deutlich weniger Myonen als Elektronen. Wie die Forscher erklären, könnte diese Anomalie könnte darauf hindeuten, dass es ein nicht direkt registriertes und noch unbekanntes Teilchen gibt, dass diesen Zerfall beeinflusst. Möglich wäre beispielsweise die Existenz eines neuen Typs von Z-Bosonen, der Kraftteilchen, die für die schwache Kernkraft verantwortlich sind.

Die im LHCb registrierten Zerfallswerte (schwarze Punkte) weichen von den verschiedenen Vorhersagen des Standardmodells (SM, bunt) ab. © LHCb-Kollaboration/ CERN

Noch ist die registrierte Abweichung nicht groß genug, um dies eindeutig zu belegen, wie die Physiker einräumen: „Die Abweichung unserer Ergebnisse von den Vorhersagen des Standardmodells ist mit 2,2 bis 2,5 Standardabweichungen signifikant“, berichten sie. Das ist noch nicht ausreichend, um von einer Entdeckung zu sprechen – dafür müsste ein Sigma-Wert von 5 erreicht werden.

Passt zu vorherigen Diskrepanzen

Dennoch könnte diese Anomalie mehr als nur ein statistischer Ausreißer sein, wie die Physiker erklären. Denn sie passt sehr gut zu bereits zuvor registrierten Abweichungen bei verschiedenen B-Mesonen-Zerfällen. So gab es auch bei einer anderen Zerfallsform Diskrepanzen in der Leptonenzahl und auch der Winkel, indem die Zerfallsprodukte freigesetzt wurden, stimmte nicht mit den vom Standardmodell vorhergesagten überein.

„Diese Messung ist besonders interessant, weil sie sehr sauber ist“, kommentiert Guy Wilkinson von der University of Oxford den Fund in „nature news“. Auf dem gleichen Portal erklärt der Physiker Joaquim Matias von der Universität Barcelona, dass er es sogar für sehr wahrscheinlich hält, dass hinter dem rund ein halbes Dutzend bisher festgestellten Abweichungen ein neues Teilchen steckt.

Ob hinter der Anomalie beim B-Mesonen-Zerfall tatsächlich ein noch unbekanntes Boson steckt, könnten weitere Auswertungen zeigen Denn bisher haben die Physiker nur die Daten der ersten Laufzeit des LHC analysiert. „Die bisher in der zweiten Laufzeit gesammelten Daten liefern bereits eine doppelt so große Probe – es ist daher wichtig zu schauen, ob sie diese Diskrepanz bestätigen“, heißt es im Bericht der LHCb-Physiker.

(CERN, 20.04.2017 – NPO)