Search for new physics with charm data at BESIII

Das Universum, das wir um uns herum sehen, besteht aus Materie, doch die Gesetze der Physik, die die kleinsten Teilchen regieren, legen nahe, dass der Urknall gleiche Mengen an Materie und Antimaterie hätte erzeugen sollen, die sich gegenseitig sofort vernichtet hätten. Diese Diskrepanz ist eines der großen ungelösten Rätsel der modernen Wissenschaft, neben dem Geheimnis, warum Neutrinos – geisterhafte Teilchen, die alles durchdringen – überhaupt eine Masse besitzen. Das Standardmodell, unsere derzeit beste Karte der subatomaren Welt, beschreibt, wie Teilchen interagieren, kann aber diese Lücken nicht erklären. Um die fehlenden Teile zu finden, suchen Physiker nach seltenen Ereignissen, bei denen die Regeln scheinbar gebrochen werden, wie etwa Prozessen, die die Erhaltung der Leptonenzahl oder der Baryonenzahl verletzen. Die Leptonenzahl ist eine Zählung bestimmter leichter Teilchen wie Elektronen, während die Baryonenzahl schwerere Teilchen wie Protonen und Neutronen zählt; im Standardmodell werden diese Zählungen streng bewahrt. Wenn Wissenschaftler ein Teilchen dabei erwischen könnten, etwas zu tun, das diese Zählungen verändert, oder wenn sie sehen, dass ein Teilchen sich in einen anderen Typ von Lepton verwandelt, ohne dass ein Neutrino die Bilanz ausgleicht, wäre dies ein klares Zeichen für eine neue Physik jenseits unseres derzeitigen Verständnisses.

Am Beijing Electron Positron Collider, einer Maschine, die Elektronen und deren Antimaterie-Gegenstücke zusammenprallen lässt, hat das BESIII-Experiment eine massive Sammlung von Daten aus Kollisionen gesammelt, die Charmonium erzeugen – ein schweres Teilchen, das aus einem Charm-Quark und seinem Antiquark besteht. Dieser Datensatz, der Milliarden von Ereignissen enthält, fungiert als hochpräzises Mikroskop für die Jagd auf diese verbotenen Transformationen. Die Forscher konzentrierten sich auf drei Hauptwege: die Suche nach Anzeichen dafür, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind, die Suche nach Teilchen, die ihre Identität auf eine Weise ändern, die das Standardmodell verbietet, und die Überprüfung, ob schwere Charmonium-Teilchen durch schwache Kräfte zerfallen können, auf eine Weise, die normalerweise unmöglich ist. Durch die Analyse dieser Milliarden von Kollisionen war das Team in der Lage, die bisher strengsten Grenzwerte dafür festzulegen, wie oft diese seltsamen Ereignisse auftreten könnten, wodurch der Suchraum für neue Theorien effektiv verengt wurde.

Bei der Suche nach der Verletzung der Leptonenzahl untersuchte das Team einen Prozess, bei dem ein schweres Teilchen, ein Kaskaden-Baryon, in ein leichteres Sigma-Baryon und zwei Elektronen zerfällt – eine Reaktion, die implizieren würde, dass das Neutrino ein Majorana-Teilchen ist, was bedeutet, dass es sein eigenes Antiteilchen ist. Unter Verwendung einer Technik, die das Ereignis von beiden Seiten der Kollision her rekonstruiert, um Genauigkeit zu gewährleisten, untersuchten sie über zehn Milliarden Kollisionen. Sie fanden keine Beweise dafür, dass dieser Zerfall stattgefunden hat. Anstatt ein Signal zu finden, berechneten sie, dass dieser Zerfall, falls er stattfindet, weniger als zweimal in je einhunderttausend Versuchen erfolgen muss. Sie weiteten diese Suche auf andere Teilchen aus, einschließlich Mesonen wie Eta und Omega, und suchten nach ähnlichen Zerfällen, bei denen ein neutrales Teilchen in zwei Pionen und zwei Elektronen zerfällt. Auch hier traten keine Signale auf, und die Forscher stellten fest, dass diese Zerfälle noch seltener sind: Sie treten weniger als ein paar Mal in einer Million Versuchen bei den leichteren Mesonen und weniger als zweimal in einer Milliarde Versuchen bei den schwereren auf.

Die Suche richtete sich auch gegen die Verletzung der Baryonenzahl, speziell nach einem Phänomen, bei dem ein Lambda-Baryon spontan in sein Antimaterie-Zwillingsteilchen, ein Anti-Lambda, zerfällt und wieder zurück. Diese Oszillation würde die Regel brechen, dass Materie und Antimaterie getrennt und separat erhalten bleiben. Das Team analysierte denselben massiven Datensatz von Kollisionen, um Ereignisse zu finden, die darauf hindeuten, dass ein solcher Flip stattgefunden hat. Sie fanden null Instanzen, in denen dies geschah. Basierend auf dem Ausbleiben eines Signals bestimmten sie, dass dieser Oszillation, falls sie stattfindet, weniger als einmal in jeder Million Versuchen geschehen muss. Dieses Ergebnis setzt einen neuen, strengeren Grenzwert für die Geschwindigkeit, mit der eine solche Transformation erfolgen könnte, und legt die Mindestzeit für den Flip auf länger als drei Zehntel eines Mikrosekunde fest – eine Zeitskala, die unglaublich schnell ist, aber immer noch weit über dem liegt, was das Standardmodell erlaubt.

Das Experiment untersuchte auch die Verletzung der geladenen Lepton-Flavor, einen Prozess, bei dem ein schweres Teilchen in zwei verschiedene Arten von geladenen Leptonen zerfält, wie etwa ein Elektron und ein Myon, ohne die üblichen Neutrino-Partner. Im Standardmodell sind ein Elektron und ein Myon unterschiedliche Familien, die sich auf diese Weise nicht vermischen. Die Forscher suchten nach dieser Mischung beim Zerfall des Psi(3686)-Teilchens und in den Zerfällen von Eta- und Eta-Prime-Mesonen. Im Fall des Psi(3686) beobachteten sie eine Handvoll Kandidaten-Ereignisse, aber die Anzahl war konsistent mit dem, was man von zufälligem Hintergrundrauschen erwarten würde, anstatt ein echtes Signal zu sein. Für die Eta- und Eta-Prime-Mesonen zeigten die Daten überhaupt keinen Überschuss an Ereignissen. Folglich kamen die Forscher zu dem Schluss, dass diese Flavor-verändernden Zerfälle extrem selten sind und weniger als einmal in je zehn Millionen bis zehn Milliarden Versuchen auftreten, abhängig vom spezifischen Teilchen. Diese Grenzwerte sind deutlich enger als frühere Messungen und schließen viele theoretische Modelle, die diese Zerfälle als häufiger voraussagten, effektiv aus.

Schließlich suchte das Team nach schwachen Zerfällen von Charmonium, die eine Änderung des Flavors des Charm-Quarks beinhalten – ein Prozess, der im Standardmodell stark unterdrückt ist, aber durch neue Physik verstärkt werden könnte. Sie suchen nach Zerfällen, bei denen das Charmonium-Teilchen in ein D-Meson und andere Teilchen zerfällt oder ein Photon oder ein Paar Myonen aussendet. In allen untersuchten Kanälen, von denen, die ein D-Meson und ein Rho-Meson betreffen, bis hin zu denen, die ein D-Meson und ein Elektron betreffen, wurden keine signifikanten Signale gefunden. Die Forscher legten obere Grenzwerte fest, wie oft diese Zerfälle auftreten können, und fanden, dass sie weniger als ein paar Mal in je zehn Millionen bis zehn Milliarden Versuchen geschehen. Diese Ergebnisse liefern eine umfassende Karte darüber, wo sich die neue Physik nicht verbirgt, und zwingen Theoretiker dazu, ihre Modelle an diese zunehmend strengen Beschränkungen anzupassen.

Die Arbeit der BESIII-Kollaboration enthüllt kein neues Teilchen oder ein gebrochenes Naturgesetz, aber sie tut etwas ebenso Wichtiges für die Wissenschaft: Sie zieht eine schärfere Grenze um das, was möglich ist. Durch die Nutzung der weltweit größten Stichproben von Charm-Daten hat das Team gezeigt, dass das Universum den spezifischen Kanälen nach dem Standardmodell sogar noch treuer ist als bisher angenommen. Das Ausbleiben von Signalen ist ein kraftvolles Ergebnis, da es eine breite Palette theoretischer Möglichkeiten eliminiert und die zukünftige Forschung auf die wenigen verbleibenden Ecken lenkt, in denen neue Physik möglicherweise noch auf Entdeckung wartet. Während mehr Daten gesammelt werden, werden diese Grenzwerte weiterhin enger werden – entweder enthüllen sie einen Riss im aktuellen Modell oder sie treiben die Suche nach neuer Physik in noch extremere Grenzgebiete.