LHCb meldet ersten Hinweis auf einen Zerfall, der bei 10 Milliarden Beauty-Teilchen einmal vorkommt

Ein Hinweis, noch keine Entdeckung

Die Kollaboration stellte das Ergebnis am 3. November in einem Seminar am CERN vor. CERN bezeichnet es als ersten Hinweis auf den Zerfall aus einem einzelnen Experiment.

Allein die 2024 und 2025 gesammelten Daten ergaben ein Signal bei 3,0 Standardabweichungen, teilt CERN mit. Mit dem zwischen 2011 und 2018 aufgezeichneten Datensatz stieg die Signifikanz auf 3,2 Sigma. Nach Angaben von INFN entspricht das einer Wahrscheinlichkeit von etwa eins zu 1500, dass das Signal eine Schwankung des Untergrunds ist. Das Team reichte die Analyse bei Physical Review X ein und stellte sie als arXiv:2611.00230 online. Fünf Sigma sind die Schwelle, die Teilchenphysiker vor einer Entdeckung verlangen. Die Kollaboration beansprucht keine.

Die Messung prüft das Standardmodell auf Abständen, die weit unter allem liegen, was der Large Hadron Collider (LHC) direkt auflöst. Eine Abweichung würde auf unbekannte Teilchen deuten. Bislang stimmen die Zahlen mit der Theorie überein. Eine Bestätigung des Zerfalls braucht fünf Sigma. Dafür sind nach Angaben der Kollaboration mehr Daten nötig.

Warum sich die Jagd auf einen Zerfall von eins zu zehn Milliarden lohnt

Das Standardmodell sagt den Zerfall Bd zu mu mu voraus. Er tritt etwa bei jedem 10.000.000.000sten Beauty-Teilchen auf.

Bei dem Zerfall wird ein Beauty-Teilchen zu einem Paar aus Myonen. Myonen sind schwerere Verwandte des Elektrons. Allein in den neuen Daten maß das Team ein Verzweigungsverhältnis von etwa 1,26 zu 10 Milliarden, mit einer statistischen Unsicherheit von rund 0,5. Die Vorhersage des Standardmodells liegt bei etwa 1,03 zu 10 Milliarden, der kombinierte Wert mit älteren Daten bei 1,14. Je seltener ein Zerfall, desto empfindlicher reagiert er auf Teilchen, die zu schwer sind, um direkt in LHC-Kollisionen erzeugt zu werden.

Der Zerfall sondiert ein Milliardstel eines Billionstels eines Meters. Physiker haben dieser Skala den Spitznamen Zeptoversum gegeben.

Beauty-Quarks existieren nur etwa eineinhalb Billionstel Sekunden. Dann zerfallen sie.

Zweiundvierzig Jahre und ein aufgerüsteter Detektor

Die Suche begann 1984. In jenem Jahr setzte das CLEO-Experiment in Cornell die erste Obergrenze für die Zerfallsrate.

Eine gemeinsame Analyse von LHCb und CMS beobachtete 2015 den Zerfall Bs zu mu mu. Sie beanspruchte zugleich einen ersten Hinweis auf Bd zu mu mu. Spätere Aktualisierungen mit Daten bis 2018 bestätigten diesen Hinweis nicht. Geändert hat sich der Detektor. Durch die Aufrüstung von 2024 kann LHCb Daten mit der fünffachen Rate des Zeitraums 2010 bis 2018 sammeln. Verbesserte Teilchenidentifikation und maschinelles Lernen erlauben es dem Team, das Signal aus dem Untergrund zu ziehen, so CERN. Das Vereinigte Königreich leistete den größten nationalen Beitrag zum aufgerüsteten Detektor, teilt UKRI mit. Seine Komponenten wurden über mehr als ein Jahrzehnt entworfen und gebaut.

Der Vertex Locator ist ein Silizium-Pixeldetektor, der an der University of Liverpool montiert wurde. Er sitzt fünf Millimeter von den LHC-Strahlen entfernt.

Ein internationales Team aus 19 Personen führte die Analyse durch. LHCb zeichnet Hunderte Millionen Protonenkollisionen pro Sekunde auf, ein Datenfluss von 4 Terabyte pro Sekunde. Die Myonen aus dem überwältigenden Untergrund herauszufiltern, verlangt äußerste Präzision, sagte Marco Santimaria, der das Team mitleitete.

Auch der verwandte Zerfall wird genauer

Dieselbe Analyse maß Bs zu mu mu. Es ist die bislang präziseste Messung.

Das Team fand ein Verzweigungsverhältnis von 3,31 pro Milliarde, bei einer Vorhersage des Standardmodells von 3,66 pro Milliarde. Bs zu mu mu tritt etwa dreimal pro Milliarde Beauty-Teilchenzerfälle auf. Damit ist Bd zu mu mu rund dreißigmal seltener. Die Forscher maßen zudem die effektive Lebensdauer von Bs in diesem Zerfall mit 1,42 Pikosekunden, bei einer statistischen Unsicherheit von 0,18. Zusammen mit früheren LHCb-Daten liegt der Wert für die Lebensdauer bei 1,60 Pikosekunden.

Wie es weitergeht

Der High Luminosity LHC soll 2030 starten. Die 28 beteiligten Länder haben sich auf eine Aufrüstung des Detektors für 150.000.000 Pfund geeinigt, die die Häufigkeit dieser Zerfälle verzehnfachen würde, berichtete die BBC. Im vergangenen Jahr kündigte UK Research and Innovation (UKRI) an, seinen Anteil an diesem Geld zurückzuziehen. Tim Gershon, der die internationale LHCb-Kollaboration leitet, sagte gegenüber BBC News, die volle Beteiligung des Vereinigten Königreichs an der Forschung sei in Frage gestellt.

„Dem Vereinigten Königreich droht, nicht beteiligt zu sein und keine wirklich bedeutenden Entdeckungen zu machen“, sagte Gershon. Er sprach mit BBC News.

Chris Parkes von der University of Manchester leitete die Kollaboration. Er führte sie durch den Bau der Aufrüstung. Er sagte, das Team plane ein Experiment, um den High Luminosity LHC zu nutzen.