Die CMS-Kollaboration hat eine noch unbekannte Physik durch die Untersuchung eines seltenen Zerfalls eines bekannten Teilchens erforscht. Es ist, als ob man versucht, den Inhalt eines Geschenkpakets zu erraten, indem man es in allen Einzelheiten untersucht.
Beim Erhalt eines Geburtstagsgeschenks eilen manche Menschen, es auszupacken, um zu sehen, was sich darin verbirgt. Andere bevorzugen es, das Paket zu untersuchen, um anhand seiner Form, Größe, seines Gewichts oder dem Geräusch, das es macht, wenn es geschüttelt wird, seinen Inhalt zu erraten.
Darstellung einer Kollision, die vom CMS-Detektor registriert wurde und deren Signatur auf den Zerfall eines B0-Mesons in ein K*0-Meson und ein Paar von Myonen (dargestellt durch die roten Linien) hinweisen könnte. Das K*0-Meson zerfällt dann in ein K+-Meson (dargestellt durch die magentafarbene Linie) und ein π--Meson (dargestellt durch die grüne Linie).
Bild: CMS/CERN Die von Wissenschaftlern durchgeführten Analysen der beim
Large Hadron Collider (LHC) gewonnenen Datensätze zur Entdeckung neuer physikalischer Phänomene, wie etwa neuer Teilchen, basieren im Allgemeinen auf einem dieser beiden Ansätze. Direkt nach einer spezifischen neuen Teilchenart zu suchen, ist wie das sofortige Auspacken eines Geburtstagsgeschenks, während eine indirekte Strategie, die auf den Feinheiten der Quantenmechanik beruht, mehr einer sorgfältigen Untersuchung der Verpackung gleicht, um deren Inhalt zu erraten.
Anlässlich der
jährlichen LHCP-Konferenz, die letzte Woche in Boston stattfand, stellte die
CMS-Kollaboration die Methode vor, mit der sie nach neuer Physik durch seltene Zerfälle eines Teilchens namens B
0-Meson suchte.
Der physikalische Prozess, der dazu führt, dass ein Teilchen in leichtere Partikel zerfällt, könnte durch neue, noch nicht beobachtete Teilchen beeinflusst werden, die zu schwer sind, um im LHC produziert zu werden. Die durch diese Teilchen verursachten Veränderungen im Zerfallsprozess könnten gemessen und mit den Vorhersagen des
Standardmodells der Teilchenphysik verglichen werden. So wie es möglich ist, Informationen über den Inhalt eines Geschenkpakets zu erhalten, indem man es in allen Einzelheiten untersucht, kann man auch ein Indiz für neue Physik anhand einer Abweichung von den Vorhersagen des Standardmodells erkennen.
Der Zerfallsprozess des B
0-Mesons, das aus einem b-Quark und einem d-Quark besteht, in ein K*
0-Meson (bestehend aus einem s-Quark und einem d-Quark) und ein Myonenpaar eignet sich besonders gut für diesen Ansatz. Dieser Zerfall erfolgt nämlich über einen seltenen Übergang, den sogenannten "
Penguin", der sehr empfindlich auf den Einfluss neuer schwerer Teilchen reagiert.
Für diese neue Studie nutzte das CMS-Team alle Daten, die der Detektor zwischen 2016 und 2018 während der zweiten Betriebsperiode des LHC gesammelt hatte, um das „Paket“ der Zerfallsprodukte des B
0 zu inspizieren. Dieses „Paket“ erlaubt es, sich der neuen Physik auf verschiedene Weise zu nähern. Zuerst wiegt man das Paket, das heißt, man misst die Häufigkeit, mit der dieser Zerfall auftritt. Man kann auch zwei identische Pakete nehmen, zum Beispiel eines, das einem Zerfall in ein Myonenpaar entspricht, und ein anderes, das einem Zerfall in ein Elektronenpaar entspricht, und überprüfen, ob sie die gleiche Masse haben.
Für ihre neue Studie untersuchten die CMS-Wissenschaftler die Form des Pakets, indem sie die Energieverteilung des zerfallenden B
0-Mesons zwischen den Zerfallsprodukten und die Winkel der Zerfallsprodukte maßen. Das Team bestimmte dann eine Reihe von Parametern aus diesen Energien und Winkeln und verglich die Ergebnisse mit zwei Vorhersagensätzen des Standardmodells.
Für die meisten Parameter stimmen die Ergebnisse mit diesen beiden Vorhersagensätzen überein. Für die Parameter P'
5 und P
2 sowie für bestimmte Energien der beiden Myonen zeigen die Ergebnisse jedoch eine Spannung mit den Vorhersagen. Im Allgemeinen entsprechen die neuen CMS-Ergebnisse den vorherigen Ergebnissen der Experimente ATLAS, LHCb und Belle und verbessern deren Präzision sogar.
Leider kam ein unangenehmer, jedoch charmant anzusehender Pinguin und verdarb die Feier. Das Vorhandensein eines c-Quarks in diesem seltenen, "Penguin" genannten Übergang widerspricht den Vorhersagen des Standardmodells und erschwert jede Schlussfolgerung. Um bei dieser Frage weiterzukommen, setzen die Wissenschaftler nun auf bessere Vorhersagen, auf eine größere Datenmenge und auf die Verbesserung der Analysetechniken.
Weitere Informationen finden Sie auf der CMS-Website.
Quelle: CERN