Am Large Hadron Collider (LHC) des CERN ermöglichen Studien zu seltenen Prozessen Wissenschaftlern, auf das Vorhandensein schwerer Teilchen zu schließen, einschließlich unentdeckter Teilchen, die nicht direkt erzeugt werden können. Es wird allgemein erwartet, dass solche Teilchen jenseits des Standardmodells existieren, und sie könnten helfen, einige der Rätsel des Universums zu erklären, wie die Existenz dunkler Materie, die Massen von Neutrinos (schwer fassbare Teilchen, die ursprünglich als masselos galten) und die Materie des Universums. Antimaterie-Asymmetrie.
Ein solcher Prozess ist der seltene Zerfall neutraler B-Mesonen in ein Myon- und Antimyonpaar: der schwerere Cousin des Elektrons, gepaart mit seinem entsprechenden Antiteilchen. Es gibt zwei Arten von neutralen B-Mesonen: Das B0-Meson besteht aus einem Beauty-Antiquark und einem Down-Quark, während beim Bs-Meson das Down-Quark durch ein Strange-Quark ersetzt wird. Wenn es keine neuen Teilchen gibt, die diese seltenen Zerfälle beeinflussen, haben Forscher vorhergesagt, dass nur eines von 250 Millionen Bs-Mesonen in ein Myon-Antimyon-Paar zerfallen wird; für das B0-Meson ist der Prozess sogar noch seltener, nämlich nur einer von 10 Milliarden.
Wissenschaftler suchen seit den 1980er Jahren nach experimentellen Bestätigungen dieser Zerfälle. Erst kürzlich, im Jahr 2014, wurde die erste Beobachtung des Zerfalls von Bs zu Myonen in einer kombinierten Analyse von Daten der LHCb- und CMS-Kollaborationen berichtet, die später durch die ATLAS-, CMS- und LHCb-Experimente einzeln bestätigt wurden. Der B0-Zerfall entzieht sich jedoch noch jedem Versuch, ihn zu beobachten.
Unter Verwendung von Daten aus Lauf 2 des LHC hat das CMS-Experiment eine neue Studie über die Zerfallsrate und die Lebensdauer des Bs-Meson-Zerfalls sowie eine Suche nach dem B0-Zerfall veröffentlicht. Die neue Studie, die auf der International Conference on High Energy Physics (ICHEP) vorgestellt wurde, profitiert nicht nur von einer großen Menge an analysierten Daten, sondern auch von fortschrittlichen maschinellen Lernalgorithmen, die die seltenen Zerfallsereignisse aus dem überwältigenden Hintergrund von Ereignissen hervorheben, die von Millionen produziert werden von Teilchenkollisionen pro Sekunde.
Die Ergebnisse zeigten ein sehr deutliches Signal des Zerfalls des Bs-Mesons zu einem Myon-Antimyon-Paar. Die Genauigkeit der Zerfallsratenmessung übertrifft die bisheriger Messungen in anderen Experimenten.
Sowohl die beobachtete Bs-Zerfallsrate von 3,8 ± 0,4 Teilen in einer Milliarde als auch die gemessene Lebensdauer von 1,8 ± 0,2 Pikosekunden (eine Pikosekunde ist eine Billionstelsekunde) liegen sehr nahe an den vom Standardmodell vorhergesagten Werten.
Was den B0-Zerfall betrifft, so können Physiker mit statistischer Sicherheit von 95 % sagen, dass seine Zerfallsrate weniger als 1 Teil von 5 Milliarden beträgt, obwohl aus diesen Ergebnissen keine Beweise dafür gefunden wurden.
In den letzten Jahren wurde eine Reihe von Anomalien bei anderen seltenen Zerfällen von B-Mesonen beobachtet, wobei Diskrepanzen zwischen den theoretischen Vorhersagen und den Daten auftraten, was auf die mögliche Existenz neuer Teilchen hinweist. Das neue CMS-Ergebnis liegt viel näher an theoretischen Vorhersagen als diese anderen seltenen Zerfälle und könnte Wissenschaftlern helfen, die Natur der Anomalien zu verstehen.
Seltene Zerfälle von B-Mesonen sind weiterhin von großem Interesse für Wissenschaftler. Nachdem der Zerfall von Bs-Mesonen zu Myonen fest etabliert und mit hoher Präzision gemessen wurde, haben Wissenschaftler nun den ultimativen Preis im Visier: den B0-Zerfall. Mit großen Datensätzen, die von LHC Run 3 erwartet werden, hoffen sie, einen ersten Blick auf diesen äußerst seltenen Prozess zu erhaschen und mehr über die rätselhaften Anomalien zu erfahren.
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