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For­schung am CERN

Die Symmetrie zwischen Elektronen und Myonen wackelt

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Portrait von Johannes Albrecht © Johannes Albecht​/​TU Dort­mund
Johannes Albrecht ist Professor für Teil­chen­phy­sik an der TU Dort­mund.

Be­obach­tung­en in extrem seltenen Teilchenzerfällen lassen Phy­si­ke­rin­nen und Physiker aufhorchen: Deutet sich da eine Abweichung von der ak­zep­tier­ten The­o­rie an?

Standardmodell, wir haben ein Problem: Die gängige physikalische The­o­rie, die das Verhalten aller Kräfte und Teilchen im Universum be­schreibt, reicht anscheinend nicht mehr aus. Der neueste Hinweis darauf stammt von der LHCb-Kollaboration, einer inter­natio­nalen Gruppe von Teil­chen­phy­si­kerin­nen und -physiker, die den LHCb-Detektor am For­schungs­zen­trum CERN in Genf nut­zen. Am Dienstag, den 23. März, präsentierten For­sche­rin­nen und Forscher der LHCb-Kollaboration zeitgleich auf einer wichtigen Fachkonferenz der Teil­chen­phy­sik und in ei­nem Seminar am CERN zwei zentrale Messungen des LHCb-Ex­pe­ri­ments. Wis­sen­schaft­ler­in­nen und Wis­sen­schaft­ler der RWTH Aachen, der TU Dort­mund und der Uni­ver­si­tät Heidelberg sind an diesen Messungen maß­geb­lich be­tei­ligt.

Teilchenphysikerin Eluned Smith von der RWTH Aachen, die ge­mein­sam mit Martino Borsato von der Uni­ver­si­tät Heidelberg und Johannes Albrecht von der TU Dort­mund die Analyse koordiniert hat, sagt: „Die Symmetrie zwischen Elektronen und Myonen wackelt! Wenn sich die Messung mit mehr Daten bestätigt, würde das auf Physikeffekte hindeuten, die so nicht im Standardmodell beschrieben sind.“ Dabei horchen Teil­chen­phy­si­kerin­nen und -physiker sofort auf und schauen noch einmal ganz genau hin.

Das Standardmodell der Teil­chen­phy­sik, eben jene physikalische The­o­rie, die das Verhalten der Teilchen und Kräfte be­schreibt, sagt voraus, dass sich Teilchen mit gleichen Ei­gen­schaf­ten auch gleich verhalten sollten. Teilchen mit gleichen Ei­gen­schaf­ten wer­den in eine Familie eingeordnet. So gehören zur Familie des Elektrons Teilchen namens Myon und Tau, deren einziger Unterschied in ihrer Masse liegt. Laut Standardmodell sollten Myon und Tau, also die schweren Partner des Elektrons, sich genauso wie das Elektron verhalten. Dieses identische Verhalten der Teilchen, die alle zur Gruppe der Leptonen gehören, nennt sich Lepton-Uni­ver­sa­li­tät. Jeder Hinweis darauf, dass sie sich irgendwie un­ter­schei­den, würde für Aufsehen sorgen, weil sie auf neue Teilchen hindeuten kön­nen.

Hinweis auf Verletzung der Lepton-Uni­ver­sa­li­tät

Am LHCb-Ex­peri­ment un­ter­sucht man, ob das Verhalten wirklich identisch ist oder ob es leichte Abweichungen gibt. Dabei richten die Wis­sen­schaft­ler­in­nen und Wis­sen­schaft­ler ihr Augenmerk auf sehr seltene Teil­chen­zer­fälle von B+-Mesonen. Sie fanden heraus, dass B+-Mesonen et­was häufiger in eine bestimmte Reihe von Teilchen zerfallen als in eine andere, obwohl sie laut The­o­rie gleich oft in beide Endzustände zerfallen müssten. Dabei sind diese Zerfälle so selten, dass sie bei zwei Mil­lio­nen Zerfällen des B+-Mesons nur einmal vorkommen. Das Ergebnis deutet auf eine Verletzung der Lepton-Uni­ver­sa­li­tät hin. Noch sind noch nicht genug Daten zusam­men­ge­kom­men, dass man von einer Entdeckung sprechen könnte, aber die Anzeichen sprechen dafür und unter Teil­chen­phy­si­kerin­nen und -physikern herrscht vorsichtige Aufregung.

„Dieses neue Ergebnis gliedert sich in eine Reihe von Messungen ein, die ge­mein­sam ein konsistentes Bild ergeben. Die Daten be­vor­zu­gen derzeit klar Erklärungen und Modelle, die über das Standardmodell hinausgehen, wie zum Beispiel die Existenz von sogenannten Leptoquarks“, ergänzt Johannes Albrecht von der TU Dort­mund. Denn die LHCb-Forscher haben schon eine ganze Reihe ver­schie­de­nen Zerfällen studiert, in denen Leptonen und b-Quarks vorkommen. Jede einzelne dieser Untersuchungen gab leichte Hinweise auf eine Verletzung der Lepton-Uni­ver­sa­li­tät, aber für sich genommen waren die Be­obach­tung­en noch nicht aufschlussreich genug. Wenn man allerdings alle mit­ei­nan­der kom­bi­niert, ergibt sich ein Muster, das für die Aufregung sorgt. Ob gerade der erste Schritt auf dem Weg zu einer richtigen Entdeckung verkündet wurde, wird sich zeigen, wenn die For­sche­rin­nen und Forscher wei­tere Daten sammeln und auswerten.

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