Belle II-Experiment meldet erste direkte Messung des Tau-zu-Licht-Lepton-Verhältnisses

Das Belle-II-Experiment ist ein großes Forschungsprojekt, dessen Ziel darin besteht, Parameter schwacher Wechselwirkungen präzise zu messen, exotische Hadronen (eine Klasse subatomarer Teilchen) zu untersuchen und nach neuen physikalischen Phänomenen zu suchen. Dieses Projekt basiert in erster Linie auf der Analyse von Daten, die vom Belle-II-Detektor (einem Allzweckspektrometer) gesammelt und vom Teilchenbeschleuniger SuperKEKB geliefert werden. Beide befinden sich bei der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Tsukuba, Japan.

In einem kürzlich erschienenen Artikel veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfungberichtete die Belle II-Kollaboration über die erste direkte Messung des Tau-zu-Licht-Lepton-Verhältnisses 𝑅(𝑋𝜏/ℓ) inklusiver B-Meson-Verzweigungsanteile. Mit dieser Messung konnte das Team die Universalität schwacher Wechselwirkungen mit geladenem Strom testen.

„In unserer derzeit besten Theorie der Teilchenphysik, dem Standardmodell, koppeln geladene Leptonen – Elektron, Myon und Tau – identisch mit schwachen und elektromagnetischen Kräften“, sagte Karim Trabelsi, Sprecher der Belle II-Kollaboration, gegenüber Phys.org. „Dieses Phänomen wird Leptonen-Universalität genannt.“

Insbesondere ist jedes Anzeichen einer Verletzung der Leptonenuniversalität ein Hinweis auf eine nicht standardmäßige Modellphysik. Im Rahmen ihrer jüngsten Arbeit haben sich Trabelsi und seine Kollegen speziell vorgenommen, das Verhältnis zwischen Tau- und leichten Leptonen direkt zu messen, da dies zur Suche nach und zum Verständnis neuer physikalischer Phänomene (d. h. außerhalb des Standardmodells) beitragen könnte.

„Das besondere Interesse am Vergleich des Tau mit dem leichteren Myon und Elektron ergibt sich aus einer Spannung zwischen dem Durchschnitt der vorhandenen Messungen und der Vorhersage aus der Universalität“, sagte Trabelsi. „Diese Messungen wurden nur bei Zerfällen durchgeführt, bei denen das Lepton von einem einzigen Charmed-Meson begleitet wird (exklusive Zerfälle in D- und D*-Mesonen), während unsere Studie nicht zwischen den verschiedenen Hadronentypen oder der Anzahl der produzierten Hadronen unterscheidet, die das Lepton begleiten (inklusiver Zerfall).“

Theoretische Vorhersagen für exklusiven und inklusiven Zerfall unterscheiden sich erheblich, ergänzen sich jedoch, wenn es darum geht, irgendeine Art von Leptonenuniversalität zu untersuchen. Eine umfassende Messung, die beide Zerfälle berücksichtigt, konnte bisher allerdings nur mit Daten durchgeführt werden, die vom Large Electron-Positron Collider (LEP) gesammelt wurden, einem der größten Teilchenbeschleuniger am CERN.

Das Hauptziel der jüngsten Studie von Belle II bestand darin, die erste Messung dieser spezifischen Größe seit über 20 Jahren durchzuführen. Dazu nutzten sie die letzten Datensätze, die vom Belle-II-Detektor gesammelt wurden.

„Unsere Analyse beruht auf der Produktion von B-Mesonenpaaren ohne andere begleitende Teilchen, wie sie bei Elektron-Positron-Kollisionen nahe der Schwelle bei Belle II auftreten“, sagte Trabelsi. „Wir können ein B-Meson vollständig rekonstruieren und dann den Rest des Ereignisses nach einem leichten Lepton absuchen, das direkt aus dem anderen B-Zerfall stammen könnte oder aus dem Zerfall von Tau aus dem anderen B-Zerfall, das dann schnell zu einem leichten Lepton und zwei weiteren Neutrinos zerfiel.“

Im Durchschnitt ist der Impuls von Leptonen, die aus dem Tau-Zerfall resultieren, deutlich geringer als der von Leptonen, die prompt aus einem B-Meson stammen. Darüber hinaus bringen zusätzliche Neutrinos, die während des Tau-Zerfalls vorhanden sind, eine geringere Energie und einen geringeren Impuls mit sich als diejenigen, die während Ereignissen vorhanden sind, die mit prompten Leptonen verbunden sind.

„Wir haben daher die Verteilungen des Leptonenimpulses und eine Variable, die mit der fehlenden Energie zusammenhängt, verwendet, um den sofortigen und den Tau-Zerfall zu trennen und das Verhältnis zu bestimmen“, erklärte Trabelsi. „Wir kalibrieren die Hintergrundverteilungen, die die Messung verfälschen können, mit zusätzlichen Datenproben, die mit den Hintergrundprozessen angereichert sind.“

Die von Belle II durchgeführte Kalibrierung führt zu systematischen Unsicherheiten bei der Messung. Diese Unsicherheit wird jedoch mit der zunehmenden Anzahl der von der Zusammenarbeit gesammelten und analysierten Daten abnehmen.

„Obwohl unsere Messung sowohl mit der Vorhersage des Standardmodells als auch mit den Anomalien in den exklusiven Zerfällen kompatibel ist, haben wir den Weg für eine ergänzende Untersuchung der Leptonen-Universalität geebnet, sobald eine größere Datenmenge verfügbar ist“, sagte Trabelsi. „Solche Untersuchungen ermöglichen es uns, indirekt nach Partikeln zu suchen, die nicht dem Standardmodell entsprechen und die eine beobachtete Verletzung der Leptonen-Flavour-Universalität verursachen würden.“

Diese umfassende direkte Messung von 𝑅(𝑋𝜏/ℓ), die von Belle II durchgeführt wurde, könnte neue Möglichkeiten für Suchvorgänge eröffnen, die auf die Beobachtung und Untersuchung neuer physikalischer Phänomene außerhalb des Standardmodells abzielen. Da die Zusammenarbeit in Zukunft weitere Daten sammelt, planen die Forscher, diese Messung zu aktualisieren und weitere präzise Messungen durchzuführen, die dabei helfen könnten, festzustellen, wann die Leptonenuniversalität gebrochen ist.

„Wir sammeln derzeit weitere Daten und werden diese inklusiven Messungen sowie die exklusiven in naher Zukunft aktualisieren“, fügte Trabelsi hinzu. „Innerhalb weniger Jahre sollten wir in der Lage sein, definitiv zu sagen, ob bei diesen Zerfällen die Leptonen-Universalität verletzt wird oder nicht.“

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