Das LHCb-Experiment am CERN hat eine grundlegende Asymmetrie im Verhalten von Baryonen aufgedeckt.
Bei den
Rencontres de Moriond in Italien gab die
LHCb-Kollaboration am CERN bekannt, dass ein neuer Meilenstein im Verständnis der subtilen, aber tiefgreifenden Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie erreicht wurde.
In ihrer
Analyse großer Datenmengen, die vom Large Hadron Collider (
LHC) erzeugt wurden, konnte das internationale Team überzeugend nachweisen, dass Teilchen namens Baryonen – zu denen auch die Protonen und Neutronen in Atomkernen gehören – einer Spiegelasymmetrie in den fundamentalen Naturgesetzen unterliegen, die dazu führt, dass Materie und Antimaterie sich unterschiedlich verhalten.
Diese Entdeckung liefert neue Ansätze, um die Anordnung der Elementarteilchen im Standardmodell der Teilchenphysik zu erklären und zu verstehen, warum nach dem Urknall offenbar die Materie über die Antimaterie dominierte.
Die Verletzung der CP-Symmetrie (Charge-Parity), die erstmals in den 1960er Jahren bei Mesonen – Teilchen aus einem Quark-Antiquark-Paar – beobachtet wurde, war Gegenstand zahlreicher Studien mit Festtarget-Experimenten oder Teilchenbeschleunigern. Es wurde erwartet, dass auch die andere große Kategorie von Teilchen, die Baryonen, die aus drei Quarks bestehen, dieses Phänomen zeigen würden. Bisher hatten Experimente wie LHCb jedoch nur Hinweise darauf in Baryonen gefunden.
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Dass es länger gedauert hat, die CP-Verletzung in Baryonen als in Mesonen zu beobachten, liegt an der Größe des Effekts und dem verfügbaren Datenvolumen", erklärt Vincenzo Vagnoni, Sprecher der LHCb-Kollaboration. "
Wir brauchten eine Maschine wie den LHC, die genügend Beauty-Baryonen und ihre Antimaterie-Gegenstücke erzeugen kann, sowie ein Experiment, das ihre Zerfallsprodukte identifizieren kann. Es bedurfte über 80.000 Zerfälle von Baryonen, um erstmals eine Materie-Antimaterie-Asymmetrie in dieser Teilchenkategorie zu beobachten."
Blick auf das LHCb-Experiment in seiner unterirdischen Kaverne (Bild: CERN)
Es ist bekannt, dass Teilchen und ihre Antimaterie-Gegenstücke identische Massen, aber entgegengesetzte Ladungen haben. Wenn Teilchen jedoch in andere Teilchen zerfallen – etwa bei radioaktivem Zerfall eines Atomkerns – führt die CP-Verletzung zu einem Bruch dieser Spiegelsymmetrie. Dieser Effekt kann sich als Unterschied in den Zerfallsraten in leichtere Teilchen zeigen, je nachdem, ob man Teilchen oder ihre Antimaterie-Pendants betrachtet. Solche Abweichungen lassen sich mit hochpräzisen Detektoren und Analysetechniken nachweisen.
Die LHCb-Kollaboration beobachtete die CP-Verletzung in einem schwereren und kurzlebigeren Baryon als Protonen und Neutronen – dem Lambda-Baryon Λ
b, das aus einem Up-Quark, einem Down-Quark und einem Beauty-Quark besteht. Zunächst durchsuchte das Team die vom LHCb-Detektor in den ersten beiden LHC-Betriebsphasen (2009–2013 und 2015–2018) gesammelten Daten nach dem Zerfall von Λ
b in ein Proton, ein Kaon und ein Paar entgegengesetzt geladener Pionen sowie nach dem Zerfall seines Antimaterie-Gegenstücks, dem Anti-Λ
b. Anschließend zählten sie die beobachteten Zerfälle beider Teilchen und berechneten die Differenz.
Die Analyse ergab, dass die Differenz zwischen der Anzahl der Λ
b- und Anti-Λ
b-Zerfälle, dividiert durch ihre Summe, um 2,45 % von Null abweicht, mit einer Unsicherheit von etwa 0,47 %. Statistisch gesehen liegt das Ergebnis 5,2 Standardabweichungen über Null – deutlich über der Schwelle, die für den Nachweis einer CP-Verletzung in diesem Baryon-Zerfall erforderlich ist.
Obwohl eine CP-Verletzung in Baryonen lange erwartet wurde, sind die komplexen Vorhersagen des Standardmodells noch nicht präzise genug, um einen detaillierten Vergleich mit den LHCb-Messungen zu ermöglichen.
Überraschenderweise ist der vom Standardmodell vorhergesagte Grad der CP-Verletzung um mehrere Größenordnungen zu gering, um die im Universum beobachtete Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu erklären. Dies deutet darauf hin, dass es weitere Quellen der CP-Verletzung gibt, die über das Standardmodell hinausgehen. Die Suche nach diesen Quellen ist ein wichtiger Teil des LHC-Physikprogramms und wird an künftigen Beschleunigern fortgesetzt.
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Je mehr Systeme wir finden, in denen CP-Verletzung auftritt, und je genauer die Messungen sind, desto besser können wir das Standardmodell testen und Physik jenseits davon erforschen", sagt Vincenzo Vagnoni. "
Die erstmalige Beobachtung der CP-Verletzung in einem Baryon-Zerfall ebnet den Weg für weitere theoretische und experimentelle Untersuchungen – und könnte neue Grenzen für Physik jenseits des Standardmodells setzen."
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Ich gratuliere der LHCb-Kollaboration zu diesem brillanten Ergebnis.
Es unterstreicht einmal mehr das wissenschaftliche Potenzial des LHC und seiner Experimente, indem es ein neues Werkzeug zur Erforschung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum bietet", erklärt Joachim Mnich, Direktor für Forschung und Informatik am CERN.
Quelle: CERN