Measurements of lepton-flavour universality in semileptonic $B$ decays at Belle and Belle II

In der subatomaren Welt scheint die Natur einer strengen Regel der Fairness zu folgen, die als Lepton-Flavor-Universalität bekannt ist. Dieses Prinzip besagt, dass sich die drei Arten von geladenen Teilchen, den Leptonen genannt – das Elektron, das Myon und das Tau –, fast identisch verhalten sollten, wenn sie mit anderen Teilchen interagieren, wobei sie sich lediglich in ihrer Masse unterscheiden. Man kann sich diese drei Teilchen wie identische Zwillinge vorstellen; auch wenn eines der ihnen etwas schwerer sein mag, sollten alle auf Kräfte auf die gleiche Weise reagieren. Jahrzehntelang hat diese Regel intensiven Prüfungen standgehalten und bildet einen Eckpfeiler unseres Verständnisses der Physik. Jüngste Beobachtungen haben jedoch angedeutet, dass diese Fairness verletzt sein könnte. Wenn schwere Teilchen, sogenannte B-Mesonen, zerfallen, scheinen sie manchmal das schwere Tau-Teilchen gegenüber dem leichteren Elektron oder Myon häufiger zu bevorzugen, als es die Standardgesetze der Physik vorhersagen. Diese Diskrepanz hat eine weltweite Jagd nach neuer Physik ausgelöst – eine Suche nach Kräften oder Teilchen, die jenseits unserer aktuellen Modelle existieren.

Um dieses Rätsel zu untersuchen, haben Wissenschaftler bei den Belle- und Belle II-Experimenten in Japan akribisch diese seltenen Zerfälle gezählt. Diese Experimente finden in einem Teilchenbeschleuniger statt, in dem Elektronen und ihre Antimaterie-Gegenstücke, Positronen, zur Kollision gebracht werden. Diese Kollisionen erzeugen Paare von B-Mesonen, die auseinanderfliegen und schließlich zerfallen. Da die Ausgangsbedingungen der Kollision sehr gut verstanden sind, können Forscher das gesamte Ereignis rekonstruieren, selbst wenn einige Teilchen, wie Neutrinos, der Detektion entgehen. Das Team präsentierte kürzlich eine Reihe neuer Messungen, die vergleichen, wie oft B-Mesonen in ein Tau-Teilchen zerfallen im Vergleich dazu, wie oft sie in ein Elektron oder ein Myon zerfallen. Sie untersuchten auch die Winkel, unter denen diese Teilchen auseinanderfliegen, um nach subtilen Unterschieden im Verhalten zu suchen, die eine verborgene Wechselwirkung offenbaren könnten.

Die Forscher konzentrierten sich auf zwei Hauptwege zur Identifizierung der Zerfälle. In einem Ansatz rekonstruierten sie das Partner-B-Meson in der Kollision mittels einer Methode namens hadronisches Tagging, bei der nach spezifischen Kombinationen von Teilchen gesucht wird. Diese Methode ist sehr sauber und präzise, erfasst jedoch weniger Ereignisse. Im anderen Ansatz verwendeten sie semileptonisches Tagging, wobei das Partner-B-Meson durch das Suchen nach einem leichteren Lepton in dessen Zerfall identifiziert wird. Diese Methode ist weniger präzise in Bezug auf die Details des Partners, erfasst aber eine viel größere Anzahl von Ereignissen. Durch die Kombination dieser Strategien maß das Team das Verhältnis der Zerfälle, die das schwere Tau-Teilchen betreffen, gegenüber jenen, die die leichteren Elektronen oder Myonen betreffen.

Die Ergebnisse des Belle II-Experiments unter Verwendung der hadronischen Tagging-Methode ergaben, dass das Verhältnis von Tau-Zerfällen zu Leicht-Lepton-Zerfällen für einen Typ von Zerfall etwa 0,439 und für einen anderen etwa 0,242 betrug. Bei Verwendung der semileptonischen Tagging-Methode fanden die Forscher Verhältnisse von 0,418 und 0,306. Obwohl diese Zahlen etwas höher sind, als es das Standardmodell der Physik vorhersagt, ist der Unterschied nicht groß genug, um als Entdeckung zu gelten. Die Messungen sind konsistent mit dem langjährigen Durchschnitt aller bisherigen Experimente, die kollektiv eine Spannung zum Standardmodell aufzeigen, aber die neuen Daten allein bestätigen keine Verletzung der Regeln. Die statistische Unsicherheit in diesen Messungen bedeutet, dass die beobachteten Unterschiede auch auf Zufall beruhen könnten, anstatt auf neue Physik hinzudeuten.

Über das bloße Zählen der Zerfälle hinaus untersuchten die Wissenschaftler auch die Richtung, in die die Teilchen emittiert werden. Sie analysierten die Winkelverteilungen der Zerfallsprodukte, um zu sehen, ob sich die Elektron- und Myon-Modi voneinander unterscheiden. Wenn die Gesetze der Physik die beiden leichteren Teilchen unterschiedlich behandeln würden, würde sich dies in einem deutlichen Muster darin zeigen, wie sie vom Kollisionspunkt wegfliegen. Das Team maß verschiedene Asymmetrien und Koeffizienten, die diese Winkel beschreiben. In jedem Fall verhielten sich das Elektron und das Myon identisch, ohne Anzeichen für einen Unterschied in ihren Wechselwirkungen. Die Daten stimmen perfekt mit der Erwartung des Standardmodells überein, dass Elektronen und Myonen in diesen Prozessen austauschbar sind.

Das Gesamtbild aus diesen neuen Messungen ist eines der vorsichtigen Konsistenz. Individuell zeigt keines der vier neuen Ergebnisse – die zwei Verhältnisse aus dem hadronischen Tag, die zwei aus dem semileptonischen Tag und die Winkeltests – eine statistisch signifikante Abweichung von dem, was das Standardmodell vorhersagt. Die leichten Überschüsse in den Tau-Zerfallsraten liegen innerhalb der Fehlertoleranz. Wenn man jedoch diese neuen Ergebnisse zu der weltweiten Datensammlung hinzufügt, bleibt die allgemeine Spannung zum Standardmodell bestehen. Der weltweite Durchschnitt deutet immer noch darauf hin, dass Tau-Teilchen möglicherweise mehr bevorzugt werden als erwartet – ein Hinweis, der die Suche nach neuer Physik am Leben erhält.

Das Belle II-Experiment hat nun bereits mehr Daten gesammelt als sein Vorgänger, das ursprüngliche Belle-Experiment, und der Datensatz wächst stetig weiter. Mit diesem größeren Datensatz können die Forscher ihre Rekonstruktionsmethoden verfeinern und noch mehr Zerfallskanäle untersuchen. Die Zukunft dieses Feldes liegt in der Kombination dieser zunehmend präzisen Ratenmessungen mit detaillierten Studien darüber, wie sich die Teilchen bewegen und interagieren. Sollten die aktuellen Hinweise auf eine Verletzung real sein, wird die nächste Generation von Daten wahrscheinlich die Struktur der am Werk befindlichen neuen Kräfte enthüllen. Bis dahin bewahrt das Universum seine Geheimnisse, während die Regel der Lepton-Flavor-Universalität angesichts dieser neuen, präzisen Tests standhaft bleibt und dennoch eine kleine Tür für Entdeckungen offen lässt.