Die LHCb Collaboration am CERN hat erstmals bei einem als D0-Meson bezeichneten Teilchen die Materie-Antimaterie-Asymmetrie (CP-Verletzung) beobachtet. Das Ergebnis wurde auf der jährlichen Rencontres de Moriond Konferenz und in einem speziellen CERN-Seminar präsentiert und wird sicherlich auch den Weg in die Lehrbücher der Teilchenphysik finden.
„Das Ergebnis ist ein Meilenstein in der Geschichte der Teilchenphysik. Seit der Entdeckung des D-Mesons vor mehr als 40 Jahren hatten Teilchenphysiker vermutet, dass die CP-Verletzung auch in diesem System auftritt. Aber erst jetzt mit dem vollen Datensatz des LHCb-Experiments konnte die LHCb Collaboration den Effekt endlich beobachten“, sagte Eckhard Elsen, der Director for Research and Computing am CERN.
Der Begriff CP bezieht sich auf die Umwandlung, die ein Teilchen mit dem Spiegelbild seines Antiteilchens vertauscht. Die schwachen Wechselwirkungen des Standardmodells der Teilchenphysik bringen bekanntlich einen Unterschied beim Verhalten von einigen Teilchen und ihren CP-Antiteilchen hervor. Diese Asymmetrie wird als CP-Verletzung bezeichnet.
Der Effekt wurde erstmals in den 1960er Jahren am Brookhaven Laboratory in den Vereinigten Staaten bei neutralen K-Mesonen beobachtet, die ein Strange-Quark enthalten. Im Jahr 2001 zeigten Experimente am SLAC Laboratory in den Vereinigten Staaten und am KEK Laboratory in Japan das Phänomen ebenso bei neutralen B-Mesonen, die ein Bottom-Quark enthalten. Diese Ergebnisse führten zu zwei Nobelpreisen für Physik, einer im Jahr 1980 und ein weiterer im Jahr 2008.
Die CP-Verletzung ist ein grundlegendes Merkmal unseres Universums und notwendig, um die Prozesse auszulösen, die nach dem Urknall für ein Übermaß an Materie gegenüber Antimaterie sorgten, was wir im heutigen Universum beobachten. Die Größe der bislang bei den Interaktionen des Standardmodells beobachteten CP-Verletzungen ist allerdings zu klein, um für das heutige Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht verantwortlich zu sein. Das spricht für die Existenz bisher unbekannter, weiterer Quellen für die CP-Verletzung.
Das D0-Meson besteht aus einem Charm-Quark und einem Up-Antiquark. Bis jetzt wurde die CP-Verletzung nur bei Teilchen mit einem Strange-Quark oder einem Bottom-Quark beobachtet. Diese Beobachtungen haben das Muster der im Standardmodell beschriebenen CP-Verletzung bestätigt. Die Bestätigung erfolgte im Rahmen der sogenannten Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Matrix, die beschreibt, wie verschiedene Quarktypen sich durch schwache Wechselwirkungen ineinander umwandeln. Der tiefe Ursprung der CKM-Matrix und die Suche nach weiteren Quellen und Manifestationen der CP-Verletzung gehören zu den großen offenen Fragen der Teilchenphysik. Die Entdeckung der CP-Verletzung beim D0-Meson ist der erste Beleg für diese Asymmetrie bei dem Charm-Quark, was die Erforschung dieser Fragen um neue Elemente ergänzt.
Um diese CP-Asymmetrie zu beobachten, nutzten die Forscher der LHCb Collaboration den vollen Datensatz LHCb-Experiments am Large Hadron Collider (LHC), der zwischen 2011 und 2018 gesammelt wurde. In den Daten suchten sie nach Zerfallsprozessen des D0-Mesons und seinem Antiteilchen, dem Anti-D0-Meson, in entweder Kaonen oder Pionen.
„Die Suche nach diesen beiden Zerfallsprodukten in unserer beispiellosen Probe von D0-Mesonen gab uns die erforderliche Empfindlichkeit, um die geringe Anzahl an CP-Verletzungen nachzuweisen, die von solchen Zerfallsprozessen erwartet werden. Das Ausmaß der CP-Verletzung zu messen, führte dann zur Zählung der D0– und Anti-D0-Zerfallsprozesse und deren Unterschied“, erklärte Giovanni Passaleva, der Sprecher der LHCb Collaboration.
Das Ergebnis hat eine statistische Signifikanz von 5,3 Standardabweichungen, was die Schwelle von fünf Standardabweichungen der in der Teilchenphysik üblichen Grenze für eine Entdeckung übertrifft. Diese Messung wird neu überdachte theoretische Arbeiten nach sich ziehen, um ihren Einfluss auf die im Standardmodell eingebaute CKM-Beschreibung der CP-Verletzung zu prüfen. Sie wird den Weg zur Suche nach möglichen neuen Quellen der CP-Verletzung bei Teilchen mit Charm-Quarks ebnen.
(THK)
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