• 21.03.2019
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Die LHCb-Kollaboration am CERN hat den Typ einer CP-Verletzung entdeckt, die bisher nicht beobachtet wurde

Ein kleines Stück des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichts

Der LHCb-Detektor im Januar 2019. Am LHCb-Experiment sind Forschergruppen der Universität Zürich und der EPFL beteiligt. Schweizer Physiker waren nicht direkt an der Analyse beteiligt, die zu der Entdeckung von CP-Verletzung führte, aber sie haben an der Überprüfung der Ergebnisse und an der wissenschaftlichen Veröffentlichung mitgewirkt. Foto: CERN
Bild: CERN, Switzerland
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Der LHCb-Detektor im Januar 2019. Am LHCb-Experiment sind Forschergruppen der Universität Zürich und der EPFL beteiligt. Schweizer Physiker waren nicht direkt an der Analyse beteiligt, die zu der Entdeckung von CP-Verletzung führte, aber sie haben an der Überprüfung der Ergebnisse und an der wissenschaftlichen Veröffentlichung mitgewirkt. Foto: CERN
Der LHCb-Detektor im Januar 2019. Am LHCb-Experiment sind Forschergruppen der Universität Zürich und der EPFL beteiligt. Schweizer Physiker waren nicht direkt an der Analyse beteiligt, die zu der Entdeckung von CP-Verletzung führte, aber sie haben an der Überprüfung der Ergebnisse und an der wissenschaftlichen Veröffentlichung mitgewirkt. Foto: CERN (Bild: CERN, Switzerland)

Die LHCb-Kollaboration am CERN hat erstmals überhaupt in sogenannten D0-Mesonen eine Materie-Antimaterie-Asymmetrie nachgewiesen, die unter der Bezeichnung CP-Verletzung bekannt ist. LHCb ist eines der vier grossen Experimente am Large Hadron Collider (LHC). Von Schweizer Seite sind die Ecole Polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) und die Universität Zürich beteiligt.

"Dieses Ergebnis ist ein Meilenstein in der Geschichte der Teilchenphysik", sagte Eckhard Elsen, CERN-Direktor für Forschung und Computing, gemäss einer heute veröffentlichten CERN-Pressemitteilung. Das D-Meson selber war vor mehr als 40 Jahren entdeckt worden. Teilchenphysiker haben schon früher vermutet, dass in diesem System eine CP-Verletzung auftritt. Aber erst jetzt konnte die LHCb-Kollaboration diese Tatsache experimentell nachweisen.

Spontane Übergänge

Mesonen sind subatomare Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen. Einige Mesonen haben die Fähigkeit, sich spontan in ihr eigenes Antiteilchen zu verwandeln („Oszillationen“). Nur vier Mesonen erlauben die Messung dieses Effekts: das neutrale Kaon (K0), das neutrale B-Meson (B0), das neutrale Bs-Meson (Bs0) und das neutrale D-Meson (D0). Das Null-Symbol bedeutet, dass diese Partikel elektrisch neutral sind. Dies ist eine notwendige Bedingung, damit die Oszillationen auftreten können (weil elektrische Ladung immer erhalten bleibt).

Eine CP-Verletzung wurde bislang im neutralen Kaon (in den 1960er Jahren in den USA), im neutralen B0-Meson (zuerst beobachtet in den 2000er Jahren in den USA und in Japan) und im neutralen Bs-Meson (2013 am CERN) beobachtet. Aber jetzt wurde die CP-Verletzung zum ersten Mal in einem D0-Meson beobachtet, das aus einem Charm-Quark und einem Anti-Upquark besteht. Dies jüngste Entdeckung stellt somit die erste Beobachtung einer CP-Verletzung in einem „Charm“-Teilchen dar.

Unterschiedliches Verhalten von Teilchen und Antiteilchen

Auf die einfachst mögliche Weise ausgedrückt, ist eine CP-Verletzung (kurz für: Charge-Parity-Verletzung) der beobachtete Unterschied zwischen dem Verhalten eines Teilchens und seinem Antiteilchen. "Wir könnten sagen, dass die Art des 'Inhalts' eines Teilchens und eines Antiteilchens identisch ist, jedoch mit entgegengesetzten Ladungen (elektrische Ladung, aber auch andere Eigenschaften, die das Vorzeichen ändern können, wie z. B. 'Flavour' bei Quarks)", sagt Fred Blanc, Wissenschaftler an der EPFL und Mitglied der LHCb-Kollaboration.

„Es gibt mehrere Formen der CP-Verletzung. Aber um zu veranschaulichen, was damit gemeint ist, können wir neutrale Mesonen betrachten“, fährt der Teilchenphysiker fort. „Wir können die Wahrscheinlichkeit messen, mit der ein Partikel vor dem Zerfall in sein Antiteilchen oszilliert. Dasselbe kann gemessen werden, wenn das Antiteilchen in ein Teilchen oszilliert und dann zerfällt. Wenn die beiden Wahrscheinlichkeiten unterschiedlich sind, schliessen wir daraus, dass eine CP-Verletzung vorliegt. Eine CP-Verletzung ist daher eine Manifestation des unterschiedlichen Verhaltens zwischen Teilchen und Antiteilchen.“

Der Ball geht zurück an die Theoretiker

Die CP-Verletzung ist ein Schlüsselelement für ein besseres Verständnis des Universums. Denn sie kann möglicherweise erklären, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt. Die bisher bei Standardmodell-Interaktionen beobachtete Menge an CP-Verletzung ist jedoch zu gering, um das tatsächliche Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie zu erklären. Es muss also zusätzliche, bisher unbekannte Quellen für CP-Verletzung geben. "Mit der jüngsten Entdeckung haben wir eine Quelle für eine CP-Verletzung bestätigt, die jedoch wahrscheinlich nur einen kleinen Teil der CP-Verletzung verursacht, die nötig ist, um die im Universum beobachtete Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu erklären", sagt Fred Blanc.

Welche Konsequenz hat nun der Entdeckung der CP-Verletzung in D0-Mesonen für die heutige Teilchenphysik? Die Antwort auf diese Frage ist noch nicht klar, wie Fred Blanc ausführt: „Die unterschiedlichen beobachteten CP-Asymmetrien in D0→K+K und D0→π+π waren nicht erwartet worden, obwohl es vor einigen Jahren Hinweise auf solche Effekte gegeben hatte. Der Ball liegt nun wieder bei den Theoretikern, die hoffentlich Erklärungen anbieten können, die wir anschliessend mit zusätzlichen Messungen experimentell validieren können. Es wird interessant sein zu sehen, ob der beobachtete Effekt im Standardmodell theoretisch erklärt werden kann, oder ob wir hier in den Bereich einer 'neue Physik' gelangen.“

Autor: Benedikt Vogel

Der LHCb-Detektor im Januar 2019. Am LHCb-Experiment sind Forschergruppen der Universität Zürich und der EPFL beteiligt. Schweizer Physiker waren nicht direkt an der Analyse beteiligt, die zu der Entdeckung von CP-Verletzung führte, aber sie haben an der Überprüfung der Ergebnisse und an der wissenschaftlichen Veröffentlichung mitgewirkt. Foto: CERN
Der LHCb-Detektor im Januar 2019. Am LHCb-Experiment sind Forschergruppen der Universität Zürich und der EPFL beteiligt. Schweizer Physiker waren nicht direkt an der Analyse beteiligt, die zu der Entdeckung von CP-Verletzung führte, aber sie haben an der Überprüfung der Ergebnisse und an der wissenschaftlichen Veröffentlichung mitgewirkt. Foto: CERN (Bild: CERN, Switzerland)
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Der LHCb-Detektor im Januar 2019. Am LHCb-Experiment sind Forschergruppen der Universität Zürich und der EPFL beteiligt. Schweizer Physiker waren nicht direkt an der Analyse beteiligt, die zu der Entdeckung von CP-Verletzung führte, aber sie haben an der Überprüfung der Ergebnisse und an der wissenschaftlichen Veröffentlichung mitgewirkt. Foto: CERN
Der LHCb-Detektor im Januar 2019. Am LHCb-Experiment sind Forschergruppen der Universität Zürich und der EPFL beteiligt. Schweizer Physiker waren nicht direkt an der Analyse beteiligt, die zu der Entdeckung von CP-Verletzung führte, aber sie haben an der Überprüfung der Ergebnisse und an der wissenschaftlichen Veröffentlichung mitgewirkt. Foto: CERN (Bild: CERN, Switzerland)

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