Ein Detektor für das im Bau befindliche LHCb-Experiment.Bildnachweis: Brice, Maximilian; CERN
Ein einst vielversprechender Hinweis auf neue Physik aus dem Large Hadron Collider (LHC), dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt, ist geschmolzen und hat eine der größten Hoffnungen der Physiker auf eine große Entdeckung zunichte gemacht.
Die offensichtliche Anomalie war ein unerwarteter Unterschied im Verhalten von Elektronen und ihren massereicheren Cousins, Myonen, wenn sie aus dem Zerfall bestimmter Teilchen resultieren.
Aber die neuesten Ergebnisse des LHCb-Experiments am CERN, dem europäischen Teilchenphysiklabor, das den LHC in der Nähe von Genf in der Schweiz beherbergt, legen nahe, dass Elektronen und Myonen doch mit der gleichen Rate produziert werden.
„Mein erster Eindruck ist, dass die Analyse viel robuster ist als zuvor“, sagt Florencia Canelli, experimentelle Teilchenphysikerin an der Universität Zürich in der Schweiz, leitendes Mitglied eines separaten LHC-Experiments. Es enthüllte, wie sich eine Reihe überraschender Feinheiten verschworen hatten, um eine offensichtliche Anomalie zu erzeugen, sagte sie.
Renato Quagliani, LHCb-Physiker an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (EPFL) in Lausanne, präsentierte die Ergebnisse am 20. Dezember am CERN im Rahmen eines Seminars, das auch online mehr als 700 Zuschauer anzog. Die LHCb-Kollaboration hat außerdem zwei Preprints im arXiv-Repository veröffentlicht1,2.
LHCb berichtete erstmals 2014 über eine kleine Lücke in der Myonen- und Elektronenproduktion. Als Protonenkollisionen massive Teilchen, sogenannte B-Mesonen, erzeugten, zerfielen diese schnell. Das häufigste Zerfallsmuster erzeugte eine andere Art von Meson, genannt Kaon, sowie Teilchenpaare und ihre Antiteilchen – entweder ein Elektron und ein Positron oder ein Myon und ein Antimyon. Das Standardmodell sagte voraus, dass beide Arten von Paaren etwa mit der gleichen Häufigkeit auftreten sollten, aber die LHCb-Daten deuteten darauf hin, dass Elektron-Positron-Paare häufiger auftraten.
Teilchenphysikalische Experimente liefern häufig Ergebnisse, die leicht vom Standardmodell abweichen, sich aber als statistische Zufallstreffer herausstellen, da die Experimente mehr Daten sammeln. Stattdessen schien die B-Meson-Anomalie in den nächsten Jahren sichtbarer zu werden und erreichte ein Vertrauensniveau, das als 3 Sigma bekannt ist – obwohl es immer noch nicht das Signifikanzniveau erreicht hatte, das erforderlich ist, um eine Entdeckung zu beanspruchen, nämlich 5 Sigma. Eine Reihe verwandter B-Meson-Messungen hat auch Abweichungen von theoretischen Vorhersagen auf der Grundlage des Standardmodells der Teilchenphysik offenbart.
Die neuesten Ergebnisse enthielten mehr Daten als frühere LHCb-Messungen zum B-Meson-Zerfall sowie weitere Untersuchungen möglicher Störfaktoren. Laut LHCb-Sprecher Chris Parkes, einem Physiker an der Universität von Manchester, Großbritannien, waren die offensichtlichen Diskrepanzen bei früheren Messungen mit Kaonen teilweise das Ergebnis der falschen Identifizierung anderer Teilchen als Elektronen. Während LHC-Experimente gut darin sind, Myonen einzufangen, sind Elektronen schwieriger zu entdecken.
Das Ergebnis wird wahrscheinlich viele Theoretiker enttäuschen, die Zeit damit verbracht hatten, Modelle zu finden, die die Anomalien erklären könnten. „Ich bin sicher, die Leute hätten sich gewünscht, dass wir einen Fehler im Standardmodell finden“, sagt Parkes, aber am Ende „führt man die beste Analyse mit den Daten durch, die man hat, und man sieht, was die Natur einem gibt.“ er sagte. . “So funktioniert Wissenschaft wirklich.”
Obwohl seit Monaten gemunkelt wird, kommt das neueste Ergebnis überraschend, sagt Gino Isidori, ein theoretischer Physiker von der Universität Zürich, der an der CERN-Konferenz teilnahm, da sich aus den damit verbundenen Auffälligkeiten ein einheitliches Bild abzuzeichnen schien. Dies hätte auf die Existenz neuartiger Elementarteilchen hinweisen können, die den Zerfall von B-Mesonen beeinflussen könnten.Isidori schreibt der LHCb-Kollaboration zu, „ehrlich“ zugegeben zu haben, dass ihre früheren Analysen Probleme hatten, bedauert aber, dass die Kollaboration nicht so lange gebraucht hat, um sie zu finden.
Andererseits könnten sich einige der anderen Anomalien, einschließlich der Zerfälle von B-Mesonen, die keine Kaonen beinhalten, immer noch als real herausstellen, fügt Isidori hinzu. “Alles ist nicht verloren.” Marcella Bona, eine Experimentalphysikerin an der Queen Mary University of London, die an einem anderen LHC-Experiment beteiligt ist, stimmt zu. “Es scheint, dass Theoretiker bereits darüber nachdenken, wie sie trösten und sich neu konzentrieren können.”
Zu den verbleibenden Hoffnungsschimmer der neuen Physik gehört eine Messung, die ergab, dass die Masse eines Teilchens namens W-Boson größer ist als zuvor im April angekündigt. Aber auch eine separate Anomalie, an der ebenfalls Myonen beteiligt sind, könnte verschwinden. Das magnetische Moment des Myons schien stärker zu sein als vom Standardmodell vorhergesagt, aber die neuesten theoretischen Berechnungen legen nahe, dass dies doch nicht der Fall ist. Stattdessen könnte die Diskrepanz auf Fehlberechnungen der Standardmodellvorhersagen zurückzuführen sein.