LHCb findet neue Art von Teilchen-Asymmetrie

Der LHCb-Detektor wird während der laufenden Betriebspause aufgerüstet. Bild: CERN

Manchmal kann eine Verletzung auch eine gute Nachricht sein – wenn sie ein Nachweis für etwas ist, nach dem man lange gesucht hat. Das Forschungsteam des LHCb-Detektors am CERN berichtet, dass es zum ersten Mal eine CP-Verletzung genannte Asymmetrie zwischen Teilchen und ihren Antiteilchen für sogenannte D0-Meson beobachtet hat. Dieses Ergebnis wird „sicherlich in die Lehrbücher der Teilchenphysik eingehen“, heißt es in der Pressemitteilung des CERN.

CP-Verletzung –grob gesagt wenn Teilchen und ihre Antiteilchen, die eigentlich identische Eigenschaften und Verhaltensweisen haben müssten, einen Unterschied aufweisen, wenn sie zum Beispiel zerfallen – könnte letztendlich eine Erklärung dafür liefern, warum unser Universum aus Materie besteht, obwohl beim Urknall Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen entstanden sein müssten. Es ist nicht das erste Mal, dass sie beobachtet wurde, aber es ist das erste Mal, dass sie in Zusammenhang mit D0-Mesonen beobachtet worden ist. Bisher reichen die Größen der CP-Verletzungen allerdings nicht aus, das heutige Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht zu erklären.

„Das Ergebnis ist ein Meilenstein in der Geschichte der Teilchenphysik. Seit der Entdeckung des D-Mesons vor mehr als 40 Jahren haben Teilchenphysiker CP-Verletzungen in diesem System vermutet, aber erst jetzt, da sie im Wesentlichen den gesamten Datensatz des LHCb-Experiments verwendet haben, konnte das LHCb-Team endlich den Effekt in diesem charmanten Teilchen beobachten", sagt Eckhard Elsen, CERN-Direktor für Forschung und Computing. CP-Verletzung wurde erstmals in den 1960er Jahren am Brookhaven Laboratory in den USA in Teilchen namens K0-Mesonen beobachtet, die ein strange-Quark enthalten, und wurde seitdem auch in anderen Teilchen beobachtet, wie beispielsweise im B0_S-Meson im Jahr 2013.

Das D0-Meson, in dem LHCb eine CP-Verletzung beobachtet hat, besteht aus einem charm-Quark und einem up-Antiquark. Bisher wurde die CP-Verletzung nur bei Teilchen beobachtet, die ein strange- oder ein bottom-Quark enthalten. Diese Beobachtungen haben das im Standardmodell beschriebene Muster der CP-Verletzung durch die sogenannte Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)-Mischmatrix bestätigt, die erklärt, wie sich Quarks verschiedener Typen über schwache Wechselwirkungen ineinander verwandeln. Der Ursprung der CKM-Matrix und die Suche nach zusätzlichen Quellen und Erscheinungsformen von CP-Verletzungen gehören zu den großen offenen Fragen der Teilchenphysik. Die Entdeckung der CP-Verletzung im D0-Meson ist der erste Beweis für diese Asymmetrie für das charm-Quark.

Um diese CP-Asymmetrie zu beobachten, nutzten die LHCb-Forscher alle Daten, die der LHCb-Detektor am Large Hadron Collider zwischen 2011 und 2018 aufgezeichnet hat. Die Forscherinnen und Forscher suchten darin nach den Zerfällen des D0-Mesons und seines Gegenstücks, dem Anti-D0, in Kaonen oder Pionen. „Die Suche hat sehr lange gedauert, weil die Asymmetrien sehr klein und somit schwer nachzuweisen sind – wir brauchten den gesamten Datensatz, um sicher zu sein“, erklärt Ulrich Uwer, Professor an der Universität Heidelberg und Forscher am LHCb-Experiment. „Dieses Ergebnis ist wirklich eine sehr, sehr schöne Sache.“