LHCb sieht den Zerfall des B0-Mesons in zwei Myonen bei 3,2 Sigma

Das reicht für einen Hinweis, nicht für eine Entdeckung.

Laut der LHCb-Kollaboration ist es das erste Mal, dass ein einzelnes Experiment einen Hinweis auf diesen Zerfall liefert. Für Theoretiker hängt an einer Vorhersage, der man vier Jahrzehnte nachgejagt ist, nun eine Messung. Ein Kanal, der lange als goldener Kanal bei der Suche nach neuer Physik galt, ist jetzt messbar. Jede künftige Lücke zwischen Messung und Vorhersage würde auf Teilchen jenseits des Standardmodells deuten.

Hinweis, keine Entdeckung

Sci.News berichtete am 3. November, dass die neuen Daten allein eine Signifikanz von 3,0 Standardabweichungen ergeben. Zusammen mit früheren LHCb-Daten steigt der Wert auf 3,2. Beide Zahlen liegen unter der Fünf-Sigma-Schwelle, die die Teilchenphysik verlangt, bevor jemand von einer Entdeckung spricht, wie die University of Liverpool und UKRI anmerkten. INFN formulierte es einfacher: Die Wahrscheinlichkeit liegt bei etwa eins zu 1.500, dass Hintergrundfluktuationen das Signal erzeugt haben.

Die Analyse wurde bei Physical Review X eingereicht. Das Cavendish Laboratory in Cambridge leitete das Analyseteam. Es wies darauf hin, dass die Ergebnisse noch nicht begutachtet sind.

Warum sich die Jagd nach einem seltenen Zerfall lohnt

Myonen sind die schwereren Vettern des Elektrons.

Gerade die Seltenheit ist der Punkt. Laut der University of Manchester gilt: Je seltener ein Zerfall ist, desto empfindlicher kann er auf den Einfluss neuer Teilchen reagieren. Solche Teilchen könnten verändern, wie oft er auftritt. Am LHC entstehen Beauty-Quarks in großer Zahl, doch sie leben nur etwa eineinhalb Billionstel Sekunden. Physiker messen deshalb, wie sie zerfallen, und nicht die Quarks selbst.

Die Suche ist alt. Das CLEO-Experiment in Cornell setzte 1984 die erste Obergrenze für die Rate des Zerfalls, berichtet Sci.News.

Der LHC löst Strukturen bis hinunter zu etwa hundert Zeptometern auf, so Cambridge. Neue Teilchen könnten, falls es sie gibt, bei einem Zeptometer liegen, einem Billionstel eines Milliardstels eines Meters. LHCb kann so weit nicht direkt sehen. Das Experiment sucht nach der Interferenz, die solche Teilchen in seltenen Zerfällen hinterlassen würden.

Wie die Messung entstand

Der aufgerüstete LHCb-Detektor zeichnet Kollisionen mit bis zu fünfmal höherer Rate auf als zuvor. Die größere Stichprobe machte die Analyse möglich.

Das Team kombinierte Daten aus 2024 und 2025 mit früheren Messläufen von 2011 bis 2018, sagte UKRI. Es nutzte verbesserte Teilchenidentifikation und Methoden des maschinellen Lernens. Damit trennt es den Zerfall vom weit größeren Untergrund gewöhnlicher Kollisionen. LHCb zeichnet nach Angaben von INFN Hunderte Millionen Protonenkollisionen pro Sekunde auf, ein Datenstrom von 4 Terabyte pro Sekunde.

Der Vertex Locator, ein Silizium-Pixeldetektor, der an der University of Liverpool zusammengebaut wurde, sitzt fünf Millimeter vom LHC-Strahl entfernt und bildet die erste Schicht des Spurdetektors. Mit ihm bestimmen Physiker, wo kurzlebige Teilchen zerfallen. Etwa 20 Physiker aus dem Vereinigten Königreich, Deutschland, Italien, Spanien und den Niederlanden arbeiteten an der Analyse, teilte Cambridge mit.

Die Zahlen im Vergleich zum Standardmodell

Die neuen Daten ergeben ein Verzweigungsverhältnis von etwa 1,26 in 10.000.000.000, mit einer statistischen Unsicherheit von rund 0,5 in 10.000.000.000. Die Vorhersage des Standardmodells liegt bei etwa 1,03 in 10.000.000.000. Zusammen mit älteren Daten beträgt der gemessene Wert 1,14 in 10.000.000.000.

Das Team vermaß außerdem einen verwandten Prozess neu, den Zerfall des B0s-Mesons in zwei Myonen, den LHCb 2015 erstmals beobachtet hatte. Es fand ein Verzweigungsverhältnis von 3,31 in einer Milliarde gegenüber einer Vorhersage von 3,66 in einer Milliarde. Das Team nannte es die bislang präziseste Bestimmung. Die effektive Lebensdauer des B0s in diesem Zerfall ergab 1,42 Pikosekunden mit einer statistischen Unsicherheit von 0,18. Zusammen mit früheren Daten sind es 1,60 Pikosekunden.

Alles stimmt im Rahmen der Unsicherheiten mit dem Standardmodell überein.

Was mehr Daten klären würden

Mehr Kollisionen sind der naheliegende nächste Schritt. INFN zufolge soll das nächste LHCb-Upgrade die Datenerfassung im kommenden Jahrzehnt um den Faktor zehn steigern.

Professor Chris Parkes von der University of Manchester führte die Kollaboration durch den Bau des Upgrades. Er sagte, das Team plane ein Experiment, um den High Luminosity LHC zu nutzen. Er sagte auch, das Vereinigte Königreich habe den größten nationalen Beitrag zum aufgerüsteten Detektor geleistet. Es ist ein fünfzehnjähriges Projekt einer Kollaboration mit 1.900 Mitgliedern.

Dr. Harry Cliff vom Cavendish Laboratory in Cambridge leitete die Analyse. "Als wir das Ergebnis zum ersten Mal sahen, war das ein wirklich aufregender Moment", sagte er laut Sci.News. "Etwas zu sehen, nach dem Menschen gesucht haben, seit bevor ich geboren wurde, war ein echtes Privileg."

Marco Santimaria von INFN leitete das Team mit. "Es braucht extreme Präzision, um die Myonen aus dem überwältigenden Untergrund herauszufiltern", sagte er.

Ob die Rate bleibt, wo sie ist, oder zu etwas driftet, das das Standardmodell nicht erklären kann, ist jetzt eine Frage der Statistik. Die Antwort steht noch aus.