Ein sehr seltener Teilchenzerfall wurde von CMS beobachtet CMS

Ein sehr seltener Teilchenzerfall wurde von CMS beobachtet
CMS-Experiment, CERN
19. Juli 2013
CMS hat einen wichtigen seltenen Zerfall gefunden, der vom Standardmodell der
Teilchenphysik vorausgesagt wird. Nach einer Suche von etwa 25 Jahren wird die
Beobachtung des Zerfalls von Bs-Mesonen in Myonpaare heute in Stockholm,
Schweden, bei der alle zwei Jahre stattfindenden EPS-HEP-Konferenz
bekanntgegeben.
Es wird erwartet, dass nur etwa drei pro Milliarde erzeugter Bs-Mesonen in zwei
Myonen zerfallen, die zur selben Teilchenfamilie wie Elektronen gehören, jedoch
schwerer sind. Diese Zerfälle sind ideal, um nach Anzeichen von neuer Physik zu
suchen. Eine Abweichung ihrer Häufigkeit von den genauen Vorhersagen des
Standardmodells würde auf “Physik jenseits des Standardmodells” schließen lassen.
CMS beobachtet eine Zerfallsrate von 3,0+1,0-0,9 x 10–9 mit einer Signifikanz von 4,3 σ
[1], in Übereinstimmung mit der Vorhersage des Standardmodells von (3,60,3) x
10–9. Die Signifikanz entspricht einer Wahrscheinlichkeit, dass die Beobachtung von
zufälligen Schwankungen des Untergrunds vorgetäuscht wird, von nur etwa 1 aus
100000.
Abb. 1: Ein Kandidat für ein Bs → μμ Ereignis, produziert in Proton-Proton-Kollisionen
bei 8 TeV und 2012 vom CMS-Detektor aufgezeichnet.
Auf der Suche nach etwas Neuem
Obwohl das äußerst erfolgreiche Standardmodell der Teilchenphysik über Jahre
hinweg Voraussagen gemacht hat, die präzise mit den Messungen übereinstimmten,
wissen wir, dass es vervollständigt werden muss. Es liefert weder eine Begründung
für das Vorhandensein der dunklen Materie des Kosmos, noch erklärt es den
Überschuss von Materie im Vergleich zur Antimaterie im Universum. Wenn Physik
jenseits des Standardmodells in Reichweite des LHC liegt, wird sie sich dort zeigen.
CMS sucht systematisch nach Hinweisen auf verschiedene vorgeschlagene
Erweiterungen des Standardmodells.
Der Zerfall von B-Mesonen (bestehend aus einem Beauty-Quark und einem
leichteren Quark) in zwei Myonen (μ) ist ideal, um nach indirekten Beweisen von
Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. Die Zerfälle von zwei Arten von BMesonen – B0 (bestehend aus einem Beauty-Quark und einem Down-Quark) und Bs
(bestehend aus einem Beauty-Quark und einem Strange-Quark) – in Myonpaare
sind im Standardmodell stark unterdrückt. Es existieren jedoch verschiedene
vorgeschlagene Erweiterungen des Standardmodells, die entweder eine signifikante
Erhöhung oder eine noch stärkere Unterdrückung dieser Zerfälle voraussagen.
Wenn eine Messung einer der Zerfallsraten nicht mit der Vorhersage des
Standardmodells übereinstimmt, wäre dies ein klares Zeichen für Physik jenseits
des Standardmodells. Über fast 25 Jahre hinweg haben Dutzende Experimente an
verschiedenen Teilchenbeschleunigern nach diesen seltenen Zerfällen gesucht. Die
gemessenen Obergrenzen für die Zerfallsraten wurden während dieser Zeitspanne
um vier Größenordnungen verbessert, und die Empfindlichkeitsschwelle hat sich
den vom Standardmodell vorausgesagten Zerfallsraten genähert. Das LHCbExperiment veröffentlichte den ersten klaren Beweis für die Existenz des Zerfalls
Bs → μμ im November 2012, mit einer Signifikanz von 3,5 σ.
Abb. 2: Geschichte der Suchen nach Zerfällen von Bs und B0 in Myonpaare bei
derzeitigen und früheren Speicherringen, die eine Verbesserung von vier
Größenordnungen zeigt.
Nicht ganz versunken in B-Mesonen
Die experimentelle Messung dieser seltenen Zerfälle erfordert das Herausfiltern
einiger weniger Signalereignisse aus einem überwältigenden Untergrund: nur drei
pro Milliarde erzeugter Bs-Mesonen zerfallen vorhersagegemäß in zwei Myonen.
Für B0-Mesonen ist die Rate sogar noch kleiner.
Die erste Hürde bei der Suche nach den seltenen Signalereignissen ist die
Identifikation von möglichen Kandidaten, die bei der Kollision von Protonen im
CMS-Detektor erzeugt wurden. CMS filtert ungefähr 400 der interessantesten
Kollisionsereignisse pro Sekunde heraus, von denen etwa zehn Ereignisse für die
Suche nach B → μμ in Frage kommen. Diese werden je nach Eigenschaften der
beiden Myonen kategorisiert, um möglichst viel Untergrund unter Beibehaltung der
meisten Signalereignisse auszusortieren.
Neben der Suche nach den beiden von B-Zerfällen kommenden Myonen muss CMS
auch mit relativ guter Genauigkeit wissen, wie viele B-Mesonen insgesamt erzeugt
wurden. Diese Zahl wird durch Zählung anderer, gut bekannter Zerfälle von B0Mesonen ermittelt.
Die erste Sichtung eines erwarteten Besuchers
Abb. 3: Die Massenverteilung der Myonpaare. Die violetten und roten Kurven zeigen
die B0- bzw. Bs-Signale. Die strichlierte Linie und die grünen und schwarzen Kurven
zeigen drei verschiedene Untergrundarten. Die durchgehende Linie zeigt die Summe
der geschätzten Komponenten.
Für die beschriebene Suche wurden Daten verwendet, die von CMS 2011 und 2012
aufgezeichnet wurden und 4,9 fb–1 beziehungsweise 20,4 fb–1 (inverse Femtobarn,
[2]) entsprechen. Die gemessene Massenverteilung der Myonpaare zeigt einen
Überschuss von Bs → μμ Ereignissen im Vergleich zum erwarteten Untergrund,
entsprechend einer Zerfallsrate von 3.0+1,0-0,9 x 10–9. Der Unsicherheit liegen
statistische und systematische Effekte zugrunde. Diese Messung hat eine Signifikanz
von 4.3σ. Ein Artikel, der dieses Resultat beschreibt, wurde zur Veröffentlichung in
Physical Review Letters eingereicht.
Die Messung von Bs → μμ bei CMS ist konsistent mit der Vorhersage des
Standardmodells von (3,60,3) x 10–9, was zeigt, dass dieses Modell seine Serie von
erfolgreichen Voraussagen fortsetzt. Die Zerfallsrate für B0 → μμ wurde ebenfalls
gemessen. Es wurde keine Evidenz für diesen Zerfall gefunden. Eine Obergrenze von
1,1 x 10–9 mit 95% statistischer Sicherheit [3] wurde bestimmt, konsistent mit dem
Standardmodell.
Abb. 4: Zweidimensionale Konturlinien, welche die Signifikanz der Bs → μμ und
B0 → μμ Messungen zeigen. Die kleinen Diagramme zeigen eindimensionale
Projektionen, wobei das Minimum jeder Kurve dem geschätzten Wert für die
Zerfallsrate entspricht und der Punkt, an dem die Kurve den Wert 0 auf der x-Achse
erreicht, die Signifikanz der Messung zeigt.
Wie geht es weiter?
Die Freude über diese bemerkenswerte Messung ist allerdings mit einer kleinen
Enttäuschung für diejenigen verbunden, die nach neuer Physik suchen. Ein Großteil
der Attraktivität des Zerfallskanals Bs → μμ lag in seinem Potential, Risse im
Standardmodell zu offenbaren. Die Geschichte ist jedoch noch lange nicht zu Ende.
So lange der LHC weiter Daten produziert, wird sich die Genauigkeit, mit der CMS
und andere Experimente diese Schlüsselzerfallsraten messen können, ständig
erhöhen. Die verbesserte Präzision wird beitragen, die Anzahl der verschiedenen
vorausgesagten Erweiterungen des Standardmodells einzuschränken und den Blick
über den heutigen Horizont der Hochenergiephysik hinaus zu öffnen. Weiters wird
die nächste Datennahmeperiode ab 2015 die Verbesserung der Empfindlichkeit
ermöglichen, die CMS braucht, um die Zerfallsrate für B0 → μμ im Bereich der
Standardmodellvoraussage zu messen.
Die Beobachtung dieses seltenen Bs-Zerfalls setzt einen bedeutenden Meilenstein
auf einer 25 Jahre langen Reise, aber viel Neuland in der Teilchenphysiklandschaft
liegt noch vor uns.
Über CMS
Weitere Informationen: http://cern.ch/cms
Kontaktadresse: [email protected]
CMS ist eines von zwei Allzweck-Experimenten am LHC, das für die Suche nach
neuer Physik gebaut wurde. Es wurde entworfen, um eine große Vielzahl von
Teilchen und Phänomenen zu entdecken, die in den hochenergetischen ProtonProton- und Schwerionen-Kollisionen erzeugt werden können. Es soll helfen, Fragen
zu beantworten wie: “Woraus besteht das Universum und welche Kräfte wirken in
ihm?” und “Was ist der Ursprung der Masse?“. Es wird auch bekannte Teilchen mit
nie dagewesener Präzision vermessen und nach völlig neuen, unvorhergesagten
Phänomenen suchen. Diese Forschung vertieft nicht nur unser Verständnis für das
Funktionieren des Universums, sondern kann möglicherweise später neue
Technologien hervorbringen, welche die Welt verändern, wie es in Vergangenheit
schon öfter vorgekommen ist.
Das Konzept des CMS-Experiments stammt aus dem Jahr 1992. Dieser gigantische
Detektor (15m Durchmesser, fast 29m Länge und eine Masse von 14000 Tonnen)
wurde in 16 Jahren von einer der größten jemals zusammengekommenen
internationalen wissenschaftlichen Kollaborationen gebaut. Sie umfasst 3275
Physiker (einschließlich 1535 Studenten) sowie 790 Ingenieure und Techniker, von
179 Instituten und Forschungslabors aus 41 über die ganze Welt verteilten Ländern.
Fußnoten
[1] Die Standardabweichung gibt die Streuung einer Anzahl von Messungen um
ihren Mittelwert an. Sie kann als Maß für den Grad der Unverträglichkeit eines
Datensatzes mit einer bestimmten Hypothese verwendet werden. Physiker drücken
Standardabweichungen in Einheiten von „sigma“ aus. Je größer die Zahl der sigma
ist, umso unverträglicher sind die Daten mit der Hypothese. Je unerwarteter eine
Entdeckung ist, umso größer muss typischerweise die Zahl der sigma sein, die
Physiker verlangen, um von der Richtigkeit überzeugt zu werden.
[2] http://news.stanford.edu/news/2004/july21/femtobarn-721.html
[3] Die statistische Sicherheit, das Konfidenzniveau, ist ein statistisches Maß, das
besagt, wie oft Testergebnisse bei 100 Messungen in einem bestimmten Bereich
erwartet werden können. So bedeutet zum Beispiel ein Konfidenzniveau von 95%,
dass das Resultat einer Messung in 95% der Fälle mit den Erwartungen
übereinstimmt. (Quelle: NADbank)