CERN präsentiert neue Messungen seltener Zerfälle, die einen hochpräzisen Test der Universalität des Lepton-Flavours ermöglichen

Heute präsentierte die internationale LHCb-Kollaboration am Large Hadron Collider (LHC) neue Messungen seltener Teilchenumwandlungen oder -zerfälle, die einen der bisher genauesten Tests einer Schlüsseleigenschaft des Modellstandards der Teilchenphysik, bekannt als Lepton, liefern geschmackliche Universalität.

Frühere Studien dieser Zerfälle hatten auf faszinierende Spannungen mit theoretischen Vorhersagen hingewiesen, möglicherweise aufgrund der Auswirkungen neuer Teilchen oder Kräfte. Die Ergebnisse der verbesserten und umfassenderen Analyse basieren auf dem vollständigen LHC-Datensatz, der durch das Experiment in den Läufen 1 und 2 gesammelt wurde in einem Seminar vorgestellt am CERN, die heute Morgen stattfand, entsprechen den Erwartungen des Standardmodells.

Ein zentrales Rätsel der Teilchenphysik ist, warum die 12 elementaren Quarks und Leptonen in Paaren über drei Generationen angeordnet sind, die bis auf die Masse identisch sind gewöhnliche Angelegenheit bestehend aus Partikeln der leichtesten ersten Generation. Die Universalität des Lepton-Geschmacks besagt, dass die grundlegende Stärken sind blind für die Generation, für die a Lepton gehört.

In den letzten Jahren deutete jedoch eine Ansammlung von LHCb-Ergebnissen und Experimenten in Japan und den Vereinigten Staaten darauf hin, dass dies möglicherweise nicht der Fall ist, was unter Physikern vorsichtige Begeisterung für eine grundlegendere Theorie auslöste – vielleicht eine, die Licht auf das mysteriöse Standardmodell wirft Geschmacksstruktur – könnte am LHC auftauchen.

Das Interesse an „Geschmacksanomalien“ erreichte im März 2021 seinen Höhepunkt, als LHCb neue Ergebnisse präsentierte, in denen die Raten verglichen wurden, mit denen bestimmte B-Mesonen, zusammengesetzte Teilchen, die Schönheitsquarks enthalten, in Myonen und Elektronen zerfallen. Der Theorie zufolge sollten Zerfälle von Myonen und Elektronen gleich schnell ablaufen, wenn man die Massenunterschiede von Leptonen berücksichtigt. Aber die LHCb-Ergebnisse deuten darauf hin, dass B-Mesonen mit einer geringeren Rate als erwartet in Myonen zerfallen, wie die statistische Signifikanz der Ergebnisse von 3,1 Standardabweichungen von der Standardmodellvorhersage zeigt.

Die neue LHCb-Analyse, die seit fünf Jahren im Gange ist, ist vollständiger. Es berücksichtigt zum ersten Mal zwei verschiedene Zerfallsmodi von B-Mesonen gleichzeitig und bietet eine bessere Kontrolle von Hintergrundprozessen, die Zerfälle von B-Mesonen in Elektronen nachahmen können. Zusätzlich werden die beiden Zerfallsmodi in zwei verschiedenen Massenregionen gemessen, was zu vier unabhängigen Vergleichen der Zerfälle führt. Die Ergebnisse, die frühere Vergleiche ersetzen, stimmen hervorragend mit dem Prinzip der Lepton-Flavour-Universalität überein.

„Messungen der Verhältnisse seltener Zerfälle von B-Mesonen zu Elektronen und Myonen haben in den letzten Jahren großes Interesse auf sich gezogen, weil sie theoretisch ‚sauber‘ sind und Übereinstimmung mit einem Muster von Anomalien zeigen, die in anderen Flavour-Prozessen zu sehen sind“, erklärt Sprecher Chris Parkes für LHCb. der Universität Manchester und CERN. “Die heute vorgestellten Ergebnisse sind das Ergebnis einer eingehenden Untersuchung der beiden Hauptmodi unter Verwendung unserer vollständigen Datenstichprobe und der Anwendung neuer, robusterer Techniken. Diese Ergebnisse stimmen mit den Erwartungen unserer Theorie überein.”

Neue Datensätze werden es LHCb, einem der vier großen LHC-Experimente am CERN, ermöglichen, die Universalität des Lepton-Geschmacks weiter zu untersuchen, zusätzlich zur Durchführung eines breiteren Forschungsprogramms, das Studien zu neuen Hadronen umfasst, einschließlich der Suche nach exotischen Tetraquarks und Pentaquarks und der Untersuchung der Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie. Eine verbesserte Version des Experiments, das derzeit für Phase 3 des LHC in Betrieb ist, wird größere Datensätze sammeln, die eine noch genauere Untersuchung des Zerfalls seltener Teilchen ermöglichen.

„Die ersten Hinweise von LHCb auf Anomalien hinsichtlich der Universalität des Lepton-Geschmacks wurden mit Begeisterung aufgenommen“, sagt der theoretische Physiker Michelangelo Mangano vom CERN.

“Die Tatsache, dass solche Anomalien real gewesen sein könnten, zeigt, wie viel Unbekanntes bleibt, da theoretische Interpretationen eine Vielzahl möglicher unvorhergesehener Phänomene aufgedeckt haben. Grenzen unseres Wissens und die Suche nach Anomalien, geleitet von experimentellen Hinweisen, gehen weiter.”

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