Wissenschaftler am CERN haben einen extrem seltenen Zerfallsprozess von Teilchen entdeckt und damit einen neuen Weg zu physikalischen Phänomenen eröffnet, die über unser bisheriges Verständnis der Wechselwirkung zwischen den Bausteinen der Materie hinausgehen.
Die NA62-Kollaboration präsentierte auf einer CERN EP-Seminar die erste experimentelle Beobachtung des ultra-seltenen Zerfalls des geladenen Kaons in ein geladenes Pion und ein Neutrino-Antineutrino-Paar (K+ → π+νṽ).
Dies ist ein extrem seltenes Phänomen – das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik, das erklärt, wie Teilchen interagieren, sagt voraus, dass weniger als eins von 10 Milliarden Kaonen auf diese Weise zerfällt. Das NA62-Experiment wurde speziell für die Messung dieses Kaonenzerfalls entwickelt und gebaut.
Cristina Lazzeroni, Professorin für Teilchenphysik an der Universität Birmingham, sagte: „Mit dieser Messung wird K+ → π+νṽ zum seltensten Zerfall, der auf Entdeckungsniveau festgestellt wurde – das berühmte 5-Sigma. Diese schwierige Analyse ist das Ergebnis hervorragender Teamarbeit und ich bin äußerst stolz auf dieses neue Ergebnis.“
Kaonen werden durch einen hochintensiven Protonenstrahl erzeugt, der vom Super Proton Synchrotron (SPS) des CERN bereitgestellt wird und auf ein stationäres Ziel trifft. Dadurch entsteht ein Strahl sekundärer Teilchen mit fast einer Milliarde Teilchen pro Sekunde, der in den NA62-Detektor fliegt, von denen etwa 6 % geladene Kaonen sind. Der Detektor identifiziert und misst jedes Kaon und seine Zerfallsprodukte präzise, mit Ausnahme von Neutrinos, die als fehlende Energie erscheinen.
Professor Giuseppe Ruggiero von der Universität Florenz fügte hinzu: „Dies ist der Höhepunkt eines langen Projekts, das vor mehr als einem Jahrzehnt begann. Die Suche nach Effekten in der Natur, deren Wahrscheinlichkeit im Bereich von 10-11 liegt, ist faszinierend und herausfordernd. Nach strenger und sorgfältiger Arbeit wurden unsere Bemühungen umwerfend belohnt und wir haben ein lang erwartetes Ergebnis geliefert.“
Das neue Ergebnis basiert auf der Kombination von Daten, die im Rahmen des NA62-Experiments 2021–22 erfasst wurden, und einem zuvor veröffentlichten Ergebnis basierend auf dem Datensatz 2016–18. Der Datensatz 2021–22 wurde nach einer Reihe von Upgrades des NA62-Setups gesammelt, die einen Betrieb mit 30 % höherer Strahlintensität mit mehreren neuen und verbesserten Detektoren ermöglichen.
Die Hardware-Upgrades kombiniert mit verfeinerten Analysetechniken ermöglichten eine 50 % höhere Erfassung von Signalkandidaten als zuvor und ermöglichten gleichzeitig die Hinzufügung neuer Tools zur Unterdrückung von Hintergründen.
Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Birmingham, derzeit geleitet von Professor Evgueni Goudzovski, beteiligte sich 2007 in der Entwurfsphase am NA62-Experiment und spielte eine zentrale Rolle in der Zusammenarbeit.
Professor Goudzovski kommentierte: „Die Anwerbung von Top-Talenten und die Bereitstellung von verantwortungsvollen Positionen für Nachwuchsforscher war für die Gruppe schon immer eine Priorität. Wir sind stolz darauf, dass sowohl der derzeitige NA62-Physikkoordinator als auch der derzeitige Leiter der K+ → π+νṽ-Messung ehemalige Doktoranden aus Birmingham sind. Es ist ein Privileg, in einem so dynamischen und konstruktiven Team zu arbeiten und es zu leiten.“
Das Forschungsteam untersucht den K+ → π+νṽ-Zerfall, da dieser sehr empfindlich auf neue physikalische Phänomene jenseits der SM-Beschreibung reagiert. Dies macht den Zerfall zu einem der interessantesten Prozesse bei der Suche nach Beweisen für neue physikalische Phänomene.
Der Anteil der Kaonen, die in ein Pion und zwei Neutrinos zerfallen, beträgt etwa 13 zu 100 Milliarden. Dies entspricht den SM-Vorhersagen, ist aber etwa 50 % höher.
Dies könnte auf neue Teilchen zurückzuführen sein, die die Wahrscheinlichkeit dieses Zerfalls erhöhen, aber es sind weitere Daten erforderlich, um diese Annahme zu bestätigen. Das NA62-Experiment sammelt derzeit Daten und Wissenschaftler hoffen, das Vorhandensein neuer Physik bei diesem Zerfall in den nächsten Jahren bestätigen oder ausschließen zu können.
Weitere Informationen:
CERN-Seminare: indico.cern.ch/event/1447422/