Stringent limits on - and Lorentz-invariance violation from ~meson decays
Unter Verwendung von 13-TeV-Proton-Proton-Kollisionsdaten des LHCb-Detektors etabliert diese Studie die bis heute präzisesten Einschränkungen für die Verletzung der CPT- und Lorentz-Invarianz im -Mesonensystem, indem sie den CPT-verletzenden Parameter misst und Grenzwerte für Lorentz-verletzende Parameter auf der Größenordnung von innerhalb des Rahmens der Standard Model Extension festlegt.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Im Herzen der modernen Physik liegt ein Satz von Regeln, die so grundlegend sind, dass sie definieren, wie das Universum funktioniert. Zwei dieser Regeln sind die CPT-Symmetrie und die Lorentz-Invarianz. Die CPT-Symmetrie ist die Vorstellung, dass die Gesetze der Physik exakt gleich bleiben würden, wenn man die Zeit umkehren, jedes Teilchen mit seinem Gegenstück (Antimaterie) vertauschen und das Universum wie ein Spiegelbild umdrehen würde. Die Lorentz-Invarianz ist das Prinzip, dass diese Gesetze sich nicht ändern, je nachdem, wie schnell man sich bewegt oder in welche Richtung man blickt. Jahrzehntelang haben diese Prinzipien jedem Test standgehalten und bilden das Fundament unseres Verständnisses der Realität. Einige Theorien über die tiefsten Schichten des Universums, wie etwa jene, die versuchen, die Gravitation zu erklären, legen jedoch nahe, dass diese Regeln bei extrem hohen Energieniveaus zusammenbrechen könnten. Sollte dies der Fall sein, wären die Effekte winzig, verborgen tief im Verhalten von subatomaren Teilchen, wartend darauf, von Instrumenten extremer Präzision aufgedeckt zu werden.
Ein Team von Wissenschaftlern, das mit dem LHCb-Detektor am CERN arbeitet, hat dieser Frage mit einem frischen, hochsensiblen Blick unter Verwendung von Teilchen namens -Mesonen nachgegangen. Dies sind kurzlebige Teilchen, die ein Bottom-Quark enthalten und entstehen, wenn Protonen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit kollidieren. Die Forscher konzentrierten sich darauf, wie diese Teilchen über die Zeit zerfallen oder in andere Teilchen zerfallen. Insbesondere beobachteten sie nach einem subtilen Interferenzmuster, das auftreten würde, wenn die CPT-Symmetrie oder die Lorentz-Invarianz leicht gebrochen wären. In einer Welt, in der diese Symmetrien perfekt gelten, sollte der Zerfall eines Teilchens und seines Antimaterie-Zwilling-Gegenstücks einem perfekt vorhersagbaren Rhythmus folgen. Wenn diese Symmetrien verletzt würden, würde dieser Rhythmus auf eine spezifische Weise wackeln und sich je nach Tageszeit ändern, während die Erde rotiert und die Orientierung der Teilchen relativ zu den Sternen sich verschiebt.
Um diese Wackler zu finden, analysierte das Team eine massive Sammlung von Daten, die zwischen 2015 und 2018 gesammelt wurden. Sie filterten Milliarden von Kollisionen, um fast 380.000 Fälle zu isolieren, in denen ein -Meson in einen spezifischen Satz von Tochterteilchen zerfiel: ein -Meson und ein Pion. Dieser spezifische Zerfallspfad ist besonders nützlich, da er sehr sauber und vorhersagbar ist, was es einfacher macht, kleinste Abweichungen vom erwarteten Verhalten aufzuspüren. Die Wissenschaftler erstellten daraufhin ein detailliertes mathematisches Modell davon, wie sich diese Teilchen verhalten sollten, wenn das Universum den Standardregeln folgt, und verglichen dieses Modell mit den tatsächlichen Daten. Sie suchten nach Anzeichen dafür, dass sich die Zerfallsrate änderte, während sich die Erde drehte, was darauf hindeuten würde, dass die Gesetze der Physik davon abhängen, in welche Richtung sich die Teilchen durch den Raum bewegen.
Das Ergebnis dieser erschöpfenden Suche war eine Bestätigung, dass das Universum zumindest auf den getesteten Energieskalen diesen fundamentalen Regeln gehorcht. Die Forscher fanden keine Beweise für die Wackler, die eine Verletzung der CPT-Symmetrie oder der Lorentz-Invarianz signalisieren würden, obwohl ein Vergleich der oszillatorischen und der konstanten Hypothese eine Signifikanz von 1,8 Standardabweichungen ergab, was mit einer statistischen Fluktuation vereinbar ist. Sie maßen die Parameter, die eine solche Verletzung beschreiben würden, und fanden, dass diese innerhalb einer sehr geringen Fehlermarge konsistent mit Null sind. Tatsächlich sind ihre Messungen die präzisesten, die jemals für diese Art von Teilchen gemacht wurden, und sie treiben die Sensitivität auf ein Niveau, auf dem sie jede Verletzung bis zu einer Größenordnung von etwa eins zu zehn hoch 14 ausschließen können. Das bedeutet, dass, falls diese Symmetriesymmetrien gebrochen sind, der Effekt so unglaublich klein ist, dass er selbst für die leistungsfähigsten Detektoren auf der Erde derzeit unsichtbar ist.
Diese Arbeit bestätigt nicht nur das, was wir bereits vermuten; sie verschärft die Beschränkungen für alle neuen Theorien, die vorschlagen, dass das Universum auf seinen tiefsten Ebenen chaotischer ist. Indem sie beweisen, dass sich das -Meson genau wie vorhergesagt verhält – unabhängig von der Tageszeit oder der Richtung seiner Reise –, verstärken die Forscher die Idee, dass die Gesetze der Physik in der Tat universell und unveränderlich sind. Die Forscher haben effektiv die Tür für eine breite Palette von Möglichkeiten geschlossen, wie diese Symmetrien brechen könnten, und lassen die Physiker mit einem klareren, wenn auch anspruchsvolleren Weg vor Augen, die fundamentale Natur der Realität zu verstehen. Das Universum scheint, wie es scheint, hartnäckig konsistent zu bleiben.
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