Search for rare charm decays at BESIII

Das Universum ist auf einem Satz von Regeln aufgebaut, die Physiker das Standardmodell nennen. Es ist eine erfolgreiche Karte darüber, wie Materie und Energie sich verhalten, doch es lässt einige der größten Fragen unbeantwortet. Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie? Was ist die Dunkle Materie, die Galaxien zusammenhält? Um die Antworten zu finden, suchen Wissenschaftler nicht nur nach neuen, schweren Teilchen; sie suchen auch nach Rissen in der bestehenden Karte. Sie jagen nach Prozessen, die so selten oder so durch die aktuellen Regeln verboten sind, dass selbst das Finden eines einzigen Instanz signalisieren würde, dass etwas Neues geschieht. Einer der vielversprechendsten Orte, um nach diesen Rissen zu suchen, ist die Welt der Charm-Quarks. Dies sind schwere, instabile Teilchen, die schnell zerfallen, aber wenn sie es tun, können sie subtile Verletzungen der Symmetrie oder unerwartete Änderungen ihrer Identität offenbaren. Durch das Studium von Milliarden dieser Zerfälle können Forscher die Grenzen unseres Verständnisses testen und sehen, ob sich das Universum genau so verhält, wie das Standardmodell es vorhersagt, oder ob es ein Geheimnis birgt, das eine neue Theorie erfordert, um es zu erklären.

Im Zentrum dieser Suche steht das BESIII-Experiment, ein massiver Detektor, der sich in Peking, China, befindet. Er sitzt in einem Speicherring, in dem Strahlen von Elektronen und deren Antiteilchen, den Positronen, gegeneinander prallen. Diese Kollisionen erzeugen eine saubere Umgebung, in der neue Teilchen geboren werden und sofort zerfallen. Die Forscher haben eine enorme Menge an Daten gesammelt, einschließlich der weltweit größten Proben spezifischer Teilchen, die man Charmonium nennt – gebundene Zustände aus einem Charm-Quark und einem Anti-Charm-Quark. Mit diesem riesigen Datensatz hat das Team eine umfassende Überprüfung mehrerer Arten seltener Zerfälle durchgeführt und nach Anzeichen einer Physik gesucht, die das Standardmodell als nicht existent oder so selten beschreibt, dass sie praktisch unsichtbar ist.

Der erste Untersuchungsbereich betrifft den schwachen Zerfall von Charmonium. Im Standardmodell wird erwartet, dass diese Teilchen durch die starken oder elektromagnetischen Kräfte zerfallen, aber es besteht eine winzige, fast unmögliche Chance, dass sie über die schwache Kraft zerfallen, die für die Radioaktivität verantwortlich ist. Die Forscher suchten nach spezifischen Mustern, bei denen sich ein Charmonium-Teilchen in ein Paar anderer Teilchen verwandelt, wie etwa ein neutrales D-Meson und ein K-Stern-Meson. Um diese seltenen Ereignisse zu finden, verwendeten sie eine clevere Technik: Sie rekonstruierten eines der Zerfallsprodukte auf eine Weise, die das überwältigende Hintergrundrauschen gewöhnlicher Teilchenkollisionen herausfilterte. Nach der Analyse der Daten fanden sie keine Hinweise auf diese schwachen Zerfälle. Stattdessen setzten sie eine neue, viel engere Grenze für die Häufigkeit, mit der diese Ereignisse auftreten könnten, und drückten die Grenze dessen, was erlaubt ist, auf ein Niveau von eins zu zehn Millionen. Dieses Ergebnis beweist nicht, dass der Zerfall stattfindet, schließt aber viele Theorien aus, die vorhersagten, dass er häufiger vorkommen würde.

Als Nächstes suchte das Team nach flavourverändernden neutralen Strömen. In der Sprache der Teilchenphysik beschreibt dies einen Prozess, bei dem ein Quark seine Art oder seinen „Flavor“ ändert, ohne seine elektrische Ladung zu ändern. Das Standardmodell erlaubt dies, aber nur durch komplexe, indirekte Schleifen, die es extrem selten machen. Die Forscher untersuchten Zerfälle, bei denen sich ein Charmonium-Teilchen in ein neutrales D-Meson und ein Paar Myonen oder in ein neutrales D-Meson und ein Photon verwandelt. Sie untersuchten auch ähnliche Zerfälle involving D-Mesonen, die an einer spezifischen Energieschwelle erzeugt werden, bei der sie paarweise entstehen. Durch das Markieren eines Teilchens im Paar konnten sie das andere mit hoher Präzision untersuchen. Es wurden keine Signale gefunden. Die durch diese Suchen gesetzten Grenzen nähern sich nun dem Niveau, auf dem das Standardmodell vorhersagt, dass diese Ereignisse auftreten sollten, was bedeutet, dass, falls sich neue Physik in diesen Zerfällen verbirgt, sie sich sehr subtil zeigt.

Die Suche erstreckte sich auch auf die Verletzung der Lepton-Flavor-Universalität. Während wir wissen, dass Neutrinos ihren Flavor ändern können, sagt das Standardmodell voraus, dass schwerere Teilchen wie Elektronen und Myonen bei einem Zerfall niemals ihre Identität wechseln sollten. Das Finden eines Elektrons, das sich in ein Myon verwandelt, oder umgekehrt, wäre ein klares Zeichen für neue Physik. Die Forscher suchten danach an mehreren Stellen: im Zerfall eines Psi-Teilchens in ein Elektron und ein Myon sowie im Zerfall von Eta-Mesonen in dasselbe Paar. Sie nutzten die saubere Umgebung des Colliders, um diese seltenen Ereignisse vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden. Das Ergebnis war das völlige Ausbleiben solcher Ereignisse. Sie legten die bisher strengsten Grenzen für diese Prozesse fest und schlossen damit viele Modelle aus, die eine höhere Rate des Flavor-Wechsels vorhersagten. Diese Nullresultate setzen starke Einschränkungen für die theoretischen Kräfte, die eine solche Verletzung verursachen könnten.

Schließlich untersuchte das Team ein fundamentales Prinzip der Natur, die Bose-Symmetrie. Diese Regel besagt, dass zwei identische Teilchen mit dem Spin Null, wie zwei neutrale Kaons, nicht in einem Zustand existieren können, der bestimmte quantenmechanische Eigenschaften verletzt. Im speziellen Fall von zwei neutralen Kaons, die aus einem Charmonium-Zerfall entstehen, sagt das Standardmodell voraus, dass das Ereignis verboten ist, sofern nicht eine winzige Menge an Symmetriebrechung auftritt. Die Forscher suchten nach der simultanen Produktion von zwei neutralen Kaons. Sie fanden keine solchen Ereignisse. Die Grenzen, die sie setzten, sind so niedrig, dass sie unter den Vorhersagen einiger vorgeschlagener Theorien über Quantengravitation und die Verletzung der Lokalität liegen, die suggerieren, dass verschränkte Teilchen sich auf eine Weise verhalten könnten, die diese Regeln bricht. Die Ergebnisse liegen jedoch immer noch über dem winzigen, erwarteten Niveau der Symmetriebrechung durch bekannte Quellen innerhalb des Standardmodells.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die BESIII-Kollaboration die weltweit größten Proben von Charm-Teilchen genutzt hat, um die bisher sensitivsten Suchen nach seltenen und verbotenen Zerfällen durchzuführen. Sie fanden keine Beweise für die neue Physik, nach der sie gesucht hatten. Stattdessen haben sie den Kreis um das Standardmodell enger gezogen und gezeigt, dass die Natur ihren Regeln mit bemerkenswerter Präzision folgt. Obwohl keine neuen Teilchen oder Kräfte entdeckt wurden, ist die Arbeit keineswegs abgeschlossen. Das Experiment soll Upgrades erhalten, die die Anzahl der Kollisionen erhöhen und die Fähigkeit zur Verfolgung von Teilchen verbessern werden. Mit mehr Daten und besseren Werkzeugen wird die Suche nach den kleinsten Rissen in der Karte der Physik weitergehen, getrieben von der Hoffnung, dass eines Tages ein einziges seltenes Ereignis eine tiefere Wahrheit über das Universum enthüllen wird.