Großer Hadronen-Speicherring entdeckt Teilchen-Fehlverhalten, das dem Standardmodell endlich Sorgen bereiten könnte

Aktuelle Forschungsergebnisse am Large Hadron Collider (LHC) am Cern in Genf deuten darauf hin, dass wir möglicherweise kurz vor Anzeichen unentdeckter Physik stehen. Wenn sie bestätigt werden, würden diese Hinweise das Standardmodell – die Theorie, die seit 50 Jahren die Teilchenphysik dominiert – über den Haufen werfen. Die Ergebnisse legen nahe, dass das Verhalten bestimmter subatomarer Teilchen im LHC nicht mit dem Standardmodell übereinstimmt.

Fundamentale Teilchen sind die grundlegendsten Bausteine der Materie – subatomare Teilchen, die nicht in kleinere Einheiten zerlegt werden können. Die vier fundamentalen Kräfte – Gravitation, Elektromagnetismus, die schwache Kraft und die starke Kraft – bestimmen, wie diese Teilchen interagieren. Der LHC ist ein riesiger Teilchenbeschleuniger, der in einem 27 km langen ringförmigen Tunnel unter der französisch-schweizerischen Grenze gebaut wurde. Sein Hauptzweck ist es, Risse im Standardmodell zu finden, das unser bestes Verständnis fundamentaler Teilchen und Kräfte darstellt, aber weder die Gravitation noch die Dunkle Materie erklärt – die unsichtbare, nicht messbare Art von Materie, die etwa 25 % des Universums ausmacht.

Im LHC werden Protonenstrahlen, die in entgegengesetzte Richtungen reisen, zur Kollision gebracht, um Hinweise auf unentdeckte Physik zu finden. Die neuen Ergebnisse stammen von LHCb, einem Experiment am Large Hadron Collider, bei dem diese Kollisionen analysiert werden. Das Ergebnis stammt aus der Untersuchung des Zerfalls – einer Art Umwandlung – subatomarer Teilchen namens B-Mesonen. Wir haben untersucht, wie diese B-Mesonen in andere Teilchen zerfallen, und festgestellt, dass die spezifische Art und Weise, wie dies geschieht, nicht mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmt.

Das Standardmodell basiert auf zwei der transformativsten Fortschritte der Physik des 20. Jahrhunderts: der Quantenmechanik und Einsteins spezieller Relativitätstheorie. Physiker können Messungen an Einrichtungen wie dem LHC mit Vorhersagen des Standardmodells vergleichen, um die Theorie rigoros zu testen. Obwohl wir wissen, dass das Standardmodell unvollständig ist, haben Teilchenphysiker in über 50 Jahren zunehmend strengerer Tests noch keinen Riss in der Theorie gefunden – das heißt, möglicherweise bis jetzt.

Unsere Messung, die zur Veröffentlichung in Physical Review Letters angenommen wurde, zeigt eine Abweichung von vier Standardabweichungen von den Erwartungen des Standardmodells. Im Klartext bedeutet dies, dass nach Berücksichtigung der Unsicherheiten aus den experimentellen Ergebnissen und den theoretischen Vorhersagen nur eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 16.000 besteht, dass eine so extreme zufällige Fluktuation in den Daten auftritt, wenn das Standardmodell korrekt ist. Obwohl dies unter dem Goldstandard der Wissenschaft liegt – bekannt als fünf Sigma oder fünf Standardabweichungen (etwa eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 1,7 Millionen) – häufen sich die Beweise.

Zu dieser fesselnden Erzählung tragen Ergebnisse eines unabhängigen LHC-Experiments, CMS, bei, die Anfang 2025 veröffentlicht wurden. Obwohl die CMS-Ergebnisse nicht so präzise sind wie die von LHCb, stimmen sie gut überein und stärken den Fall. Unsere neuen Ergebnisse wurden in einer Studie einer bestimmten Art von Prozess gefunden, der als elektroschwacher Pinguin-Zerfall bekannt ist. Der Begriff „Pinguin“ bezieht sich auf eine spezifische Art des Zerfalls (Umwandlung) kurzlebiger Teilchen. In diesem Fall untersuchen wir, wie das B-Meson in vier andere subatomare Teilchen zerfällt – ein Kaon, ein Pion und zwei Myonen. Mit etwas Fantasie kann man sich die Anordnung der beteiligten Teilchen als pinguinartig vorstellen. Entscheidend ist, dass Messungen dieses Zerfalls es uns ermöglichen zu untersuchen, wie eine Art fundamentaler Teilchen, ein Beauty-Quark, in eine andere, das Strange-Quark, umgewandelt werden kann.

Dieser Pinguin-Zerfall ist im Standardmodell unglaublich selten: Von einer Million B-Mesonen zerfällt nur eines auf diese Weise. Wir haben die Winkel und Energien, unter denen diese Teilchen beim Zerfall erzeugt werden, sorgfältig analysiert und genau bestimmt, wie oft der Prozess stattfindet. Wir fanden heraus, dass unsere Messungen dieser Größen nicht mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmen.

Präzise Untersuchungen solcher Zerfälle sind eines der Hauptziele des LHCb-Experiments und waren es seit