Ein sehr seltener Teilchenzerfall wurde von CMS beobachtet

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 B-­‐
Mesonen – 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 LHCb-­‐
Experiment 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 B0-­‐
Mesonen 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 Proton-­‐
Proton-­‐ 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)