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BELLE II LIEFERT ERSTE ERGEBNISSE

Auf der Suche nach dem Z'-Boson

04/07/2020

Vor fast genau einem Jahr startete das Belle-II-Experiment. Die renommierte Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht nun die ersten Ergebnisse des Detektors. Die Arbeit befasst sich mit einem neuen Teilchen im Zusammenhang mit dunkler Materie, die nach heutigem Kenntnisstand etwa 25 Prozent des Universums ausmacht.

Das Belle II-Experiment nimmt seit etwa einem Jahr Daten für physikalische Messungen auf. Sowohl der Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB als auch der Belle II-Detektor wurden über mehrere Jahre hinweg umgebaut, um eine 40-fach höhere Datenrate zu erreichen.

Wissenschaftler an zwölf Instituten in Deutschland sind maßgeblich an Bau und Betrieb des Detektors, der Entwicklung von Auswertealgorithmen und der Analyse der Daten beteiligt. Das Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft war maßgeblich an der Neuentwicklung des hochempfindlichen innersten Detektors, des Pixel-Vertex-Detektors, beteiligt.

Mit Belle II suchen die Wissenschaftler nach Spuren neuer Physik, mit denen sich beispielsweise das ungleiche Vorkommen von Materie und Antimaterie oder die geheimnisvolle dunkle Materie erklären lassen. Eines der bisher unentdeckten Teilchen, nach denen der Belle II-Detektor sucht, ist das Z'-Boson - eine Variante des bereits nachgewiesenen Z-Bosons. Letzteres fungiert als Austauschteilchen für die schwache Wechselwirkung.

Soweit wir wissen, besteht das Universum zu etwa 25 Prozent aus dunkler Materie, während die sichtbare Materie nur knapp 5 Prozent des Energiehaushalts ausmacht. Beide Formen der Materie ziehen sich über die Schwerkraft gegenseitig an. Die dunkle Materie bildet eine Art Schablone für die Verteilung der sichtbaren Materie, die sich zum Beispiel in der Anordnung der Galaxien im Universum zeigt.

Bindeglied zwischen dunkler und normaler Materie

Das Z'-Boson könnte eine interessante Rolle bei der Wechselwirkung zwischen dunkler und normaler, sichtbarer Materie spielen, d.h. es könnte eine Art Vermittler zwischen den beiden Materieformen sein. Das Z'-Boson kann - zumindest theoretisch - durch die Kollision von Elektronen (Materie) und Positronen (Antimaterie) im SuperKEKB entstehen und dann in unsichtbare Teilchen der dunklen Materie zerfallen.

Das Z'-Boson kann also helfen, das Verhalten der dunklen Materie zu verstehen - und nicht nur das: Die Entdeckung des Z'-Bosons könnte auch andere Beobachtungen erklären, die nicht mit dem Standardmodell, der fundamentalen Theorie der Teilchenphysik, übereinstimmen.

Wichtiger Hinweis: Nachweis von Myonenpaaren

Aber wie kann das Z'-Boson im Belle II-Detektor nachgewiesen werden? Nicht direkt, das steht fest. Theoretische Modelle und Simulationsrechnungen sagen voraus, dass sich das Z'-Boson durch Wechselwirkungen mit Myonen, den schwereren Verwandten der Elektronen, offenbaren könnte: Wenn die Wissenschaftler nach den Elektron/Positron-Kollisionen eine ungewöhnlich hohe Anzahl von Myonenpaaren mit entgegengesetzten Ladungen sowie unerwartete Abweichungen bei der Energie- und Impulserhaltung entdecken, wäre dies ein wichtiger Indikator für das Z".

Die neuen Belle-II-Daten zeigten jedoch noch keine Anzeichen für das Z'-Boson. Mit den neuen Daten können die Wissenschaftler jedoch die Masse und die Kopplungsstärken des Z'-Bosons mit einer noch nie dagewesenen Genauigkeit eingrenzen.

Mehr Daten, genauere Analysen

"Trotz der noch geringen Datenmenge können wir jetzt Messungen durchführen, die es bisher noch nicht gab", sagt der Sprecher der deutschen Gruppen, Prof. Thomas Kuhr von der LMU München. "Das unterstreicht die wichtige Rolle des Belle II-Experiments für die Erforschung der Elementarteilchen."

Die ersten Ergebnisse stammen aus der Analyse einer kleinen Menge von Daten, die SuperKEKB im Jahr 2018 aufgenommen hat. Belle II nahm am 25. März 2019 den Vollbetrieb auf. Seitdem sammelt das Experiment Daten, während die Kollisionsrate von Elektronen und Positronen kontinuierlich verbessert wird.

Wenn das Experiment perfekt eingestellt ist, wird es ein Vielfaches der Daten liefern, die in die bisher veröffentlichten Analysen eingeflossen sind. Die Physiker erhoffen sich neue Erkenntnisse über die Natur der dunklen Materie und andere offene Fragen.

Die deutschen Arbeitsgruppen des Belle II-Experiments werden durch folgende Institutionen und Programme gefördert:

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung: Rahmenprogramm zur Erforschung von Universum und Materie (ErUM)
  • Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder:
  • "ORIGINS": EXC-2094 - 390783311
  • "Quantenuniversum": EXC-2121 - 390833306
  • Europäischer Forschungsrat
  • Horizon 2020 der Europäischen Union - Finanzhilfevereinbarung Nr. 822070
  • Helmholtz-Gemeinschaft
  • Max-Planck-Gesellschaft

Veröffentlichung:

Suche nach einem unsichtbar zerfallenden Z'-Boson bei Belle II in e + e- ® m + m- (e + - m- +) + fehlende Energie-Endzustände

Die Belle II Kollaboration

Physical Review Letters; Band 124, 14; 10. April 2020

URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.141801

DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.141801

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