LHCb Seltene Zerfälle

Teilchenphysiker*innen versuchen, die Natur der fundamentalen Teilchen und ihrer Wechselwirkungen zu beschreiben. Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt erfolgreich die meisten Prozesse des Mikrokosmos. Gleichzeitig gibt es aber auch starke Hinweise aus astrophysikalischen Beobachtungen, dass unser derzeitiges Wissen unvollständig ist. Auch die Massenhierarchie der Elementarteilchen können wir nicht erklären. Dies sind einige der Gründe für die Suche nach einer grundlegenderen Theorie der Natur, die neue Teilchen oder Wechselwirkungen enthalten könnte.
Die direkte Suche (dieser Ansatz wurde zur Entdeckung des Higgs-Bosons verwendet) lieferte bisher keine eindeutigen neuen Hinweise auf die Existenz neuer fundamentaler Teilchen jenseits des Standardmodells.

In der Geschichte der Teilchenphysik haben jedoch indirekte Messungen von neuen Effekte zu bedeutenden Durchbrüchen geführt. So führte beispielsweise die experimentelle Beobachtung der Verletzung der Ladungs-Paritäts-Asymmetrie, der so genannten CP-Verletzung, in Kaon-Zerfällen zur Vorhersage der Existenz einer dritten Quarkfamilie im Standardmodell. Die direkte Entdeckung dieser Quarks erfolgte jedoch erst viel später. Ein weiteres Beispiel ist die Entdeckung der B-Mesonen-Mischung, die es uns ermöglichte, die große Masse des Top-Quarks indirekt vorherzusagen. Acht Jahre bevor dieses Quark direkt entdeckt wurde.

Um solche indirekten Messungen durchzuführen, untersuchen wir heute Prozesse, die im Standardmodell stark unterdrückt werden, da diese Prozesse für die ebenso winzigen Effekte möglicher Neuer Physik empfindlich sind. Interferenzen zwischen den bekannten (Standardmodell) und den noch unbekannten (Neue Physik) Beiträgen können die Zerfallsraten, Winkelverteilungen und andere Beobachtungsgrößen verändern.
Ein berühmtes historisches Beispiel ist die Entdeckung der geringen Zerfallsrate des neutralen Kaons, das in zwei Myonen zerfällt. Die Erklärung dieses Ergebnisses ermöglichte die Vorhersage der Existenz des Charm-Quarks mehrere Jahre vor seiner Entdeckung (siehe diesen Wikipedia-Artikel für weitere Einzelheiten).
Bei dem beschriebenen Prozess handelt es sich um einen Flavour-changing Neutral Current (FCNC), der im Standardmodell stark unterdrückt ist.

Das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) wurde konzipiert, um die Eigenschaften von Teilchen zu untersuchen, die b-Quarks enthalten. Dank der hohen Masse dieser Teilchen können sie über verschiedene Zerfallskanäle zerfallen, wobei die Wahrscheinlichkeit jedes Zerfallskanals ("branching fraction") bei einigen Prozent oder weniger liegt. Einige Kanäle sind aufgrund der bekannten Erhaltungssätze des Standardmodells stärker unterdrückt als andere. Wir bezeichnen die Zerfälle als selten, wenn ihr Verzweigungsbruch so klein wie 10^-6 bis 10^-10 ist. Noch stärker unterdrückte Prozesse werden als "sehr seltene Zerfälle" bezeichnet.

In unserer Gruppe konzentrieren wir uns auf zwei Hauptgruppen von Messungen mit seltenen Zerfällen:

• Elektroschwache-Pinguin-Zerfälle mit b→sℓ⁺ℓ⁻-Übergängen
• Sehr seltene Zerfälle

Wir analysieren den gesamten vom LHCb-Experiment im Zeitraum 2011-2018 aufgezeichneten Datensatz und arbeiten mit den Daten, die mit dem verbesserten LHCb-Detektor gesammelt wurden, der 2022 in Betrieb genommen wurde.
Die Suche nach den sehr seltenen Prozessen erfordert, dass wir als Vorreiter der Grundlagenforschung aktiv sind und in die Entwicklung von Software-Tools wie Algorithmen für maschinelles Lernen, Tools für die statistische Behandlung unserer Daten und natürlich neue physikalische Ideen unsere Arbeit investieren.

Unsere Gruppe leistet einen aktiven Beitrag zur Messung von Verzweigungsverhältnissen und zur Prüfung der Universalität des Lepton-Flavours. Wir erweitern diesen Bereich auch durch die Entdeckung bisher unbeobachteter Zerfälle dieser Art (z. B. solche, an denen b-Baryonen beteiligt sind) und die Untersuchung neuer Beobachtungsgrößen in diesen Zerfällen. Diese Studien ermöglichen ein besseres Verständnis der von uns untersuchten Prozesse.

Die Zerfälle von neutralen B⁰- und Bₛ⁰-Mesonen in die Endzustände von zwei geladenen Leptonen sind ein weiteres Beispiel für einen seltenen Schleifenprozess. Aufgrund der linkshändigen Natur der schwachen Wechselwirkung erfahren sie jedoch auch eine sogenannte "Helizitätsunterdrückung". Unsere Gruppe hat zur ersten Beobachtung dieser Zerfälle beigetragen; unsere anschließenden Arbeiten haben die Genauigkeit der Verzweigungsbrüche erheblich verbessert. Hier finden Sie aktuelle Veröffentlichungen über die Messung der Zerfälle B⁰→μ⁺μ⁻ und Bₛ⁰→μ⁺μ⁻-: (PRL 128 (2022) 041801), B⁰→e⁺e⁻ und Bₛ⁰→e⁺e⁻ (PRL 124 (2020) 211802), und B⁰→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ und Bₛ⁰→μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻ (JHEP 03 (2022) 109) mit wesentlichen Beiträgen unserer Gruppe.
Darüber hinaus hat unsere Gruppe zur Suche nach Zerfällen von neutralen Mesonen in vier geladene Leptonen beigetragen.

Die Suche nach Prozessen, die Übergänge beinhalten, die im Standardmodell verboten sind, ist eine weitere Möglichkeit, nach Effekten der neuen Physik zu suchen. Ein Beispiel ist die Suche nach Lepton-Flavour-Verletzungen. Diese Suche umfasst Prozesse wie B→Keμ oder den Zerfall von Tau-Leptonen in drei Myonen. Einige Modelle der neuen Physik, die die Anomalien bei b→sℓ⁺ℓ⁻-Prozessen erklären, sagen die Existenz solcher Zerfälle voraus. Unsere experimentell bestimmten Ausschlussgrenzen für solche Prozesse liefern unabhängige Einschränkungen für diese Modelle. Hier finden Sie eine aktuelle Publikation, die nach dem Zerfall B→Keμ sucht (PRL 123 (2019) 241802).