Physiker entdeckten experimentell Schwingungen vom Typ "Teilchen-Antiteilchen" zwischen den Zuständen eines neutralen bezauberten Mesons und maßen auch den Unterschied in den Massen und Breiten dieser Zustände. Dazu analysierten Physiker eine große Datenmenge zum Zerfall D0 → K0Sπ + π−, aufgenommen von 2016 bis 2018 bei Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider. Die Ergebnisse wurden an die Zeitschrift Physical Review Letters gesendet, ein Vorabdruck ist derzeit verfügbar.
Das Konzept der "Quantensuperposition" wird normalerweise mit Experimenten mit nicht-exotischer Materie wie Photonen, Atomen und künstlichen atomähnlichen Systemen in Verbindung gebracht. Normalerweise spricht man von einem Qubit – einem System aus zwei Zuständen, aus denen sich eine Superposition zusammensetzen lässt. In diesem Fall ist dies der Zustand desselben Objekts: eines Teilchens oder eines Atoms.
Dennoch kennt die Physik mehrere Beispiele, in denen eine Überlagerung zwischen den Zuständen "Teilchen-Antiteilchen", also zwischen verschiedenen Teilchen möglich ist. Mit anderen Worten, wenn wir die Eigenschaften eines solchen Teilchens messen, können wir es mit einiger Wahrscheinlichkeit entweder im gewöhnlichen Zustand oder im Zustand des Antiteilchens treffen. Es stellte sich heraus, dass eines dieser Teilchen ein neutrales Charmed Meson (D0-Meson) war, das aus einem Charmed Quark und einem Upper Antiquark besteht. Physiker gingen davon aus, dass sich das D0-Meson bei seiner Ausbreitung ständig von Teilchen zu Antiteilchen und umgekehrt umwandeln sollte (d. h. an neutralen Schwingungen teilnehmen), aber Beweise dafür wurden bis vor kurzem nicht gefunden.
In ihrer neuen Studie präsentierte die LHCb Collaboration of the Large Hadron Collider die Ergebnisse einer Analyse von mehr als 30 Millionen D0 → K0Sπ + π− Zerfallsereignissen, die von 2016 bis 2018 in Proton-Proton-Kollisionen aufgezeichnet wurden, was beweist, dass die Schwingungen der D0-Meson finden tatsächlich statt. Unter Berücksichtigung möglicher Verletzungen der CP-Invarianz während der Mischung und des Zerfalls konnten die Physiker den Massen- und Breitenunterschied für ihre eigenen Überlagerungszustände, der sieben Standardabweichungen überstieg, ziemlich genau abschätzen.
CP-Invarianz ist die Eigenschaft eines physikalischen Systems, sich in sich selbst zu verwandeln und gleichzeitig alle Teilchen zu spiegeln und durch Antiteilchen zu ersetzen. Lange Zeit glaubte man, dass keine Wechselwirkungen es brechen könnten, aber Mitte des 20. Jahrhunderts wurde klar, dass dies manchmal bei Prozessen mit schwacher Wechselwirkung passiert. Letztendlich wurde die CP-Invarianz durch die CPT-Invarianz ersetzt, bei der den Symmetrien Zeitinversion hinzugefügt wurde, und diese Invarianz ist die strengste.
Nichtsdestotrotz untersuchen Physiker weiterhin aktiv CP-Verletzungen, auch in Prozessen neutraler Oszillationen. Wissenschaftler glauben insbesondere, dass die Umwandlung von Teilchen in Antiteilchen und umgekehrt mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erfolgen kann. Diese Asymmetrie wird als indirekte CP-Verletzung bezeichnet. Es stellte sich heraus, dass es möglich ist, diese Verletzungen zu quantifizieren, indem man die Zerfallsprodukte schwingender Teilchen analysiert, was in einer neuen Arbeit mit dem D0-Meson durchgeführt wurde.
Dazu verwendeten die Autoren eine modellunabhängige Methode zur Analyse von Dalitz-Diagrammen, die darin besteht, sie in Form von sich nicht schneidenden Bereichen darzustellen, innerhalb derer die Mischungsparameter von Zuständen annähernd konstant sind. In Ermangelung einer CP-Verletzung sollte die resultierende Partition in Bezug auf die Winkelhalbierende gleicher Massen antisymmetrisch sein. Für jedes Paar von Regionen, die in Bezug auf die Winkelhalbierende gespiegelt sind, berechneten die Physiker die Verhältnisse der Anzahl ihrer Ereignisse für unterschiedliche Dauer des Mesonzerfalls. Dieser Ansatz ermöglichte es, eine Analyse durchzuführen, ohne den gesamten Prozess detailliert beschreiben zu müssen, was ziemlich kompliziert ist, da das D0-Meson gleichzeitig in drei Teilchen zerfällt.
Aufteilung des Dalitz-Diagramms entsprechend dem Zerfall von D0 K0Sπ + π− in acht positive und acht negative Bereiche. Jede Farbe steht für einen anderen Bereich.
Die Analyse ergab, dass das Verhalten der berechneten Größen nur erklärt werden kann, wenn beide Überlagerungszustände des Mesons unterschiedliche Massen haben, die sich nur um 10–41 Kilogramm unterscheiden. Darüber hinaus ermöglichte die sorgfältige Berücksichtigung systematischer und statistischer Fehler den Schluss, dass die CP-Verletzung während des Mischens und Zerfalls eine wesentliche Rolle spielt.
Die erhaltenen Ergebnisse werden es Wissenschaftlern ermöglichen, besser zu verstehen, wie Asymmetrie bei Teilchen-Antiteilchen-Übergängen entsteht und umgekehrt. Vielleicht ist diese Asymmetrie der Grund, warum es im Universum viel mehr Materie als Antimaterie gibt.
Der Large Hadron Collider ist eine Quelle für immer mehr neue Entdeckungen. Wir haben kürzlich darüber gesprochen, wie wir dort eine Verletzung der Universalität von Lepton-Aromen entdeckt und die Interaktion des Higgs-Bosons mit sich selbst eingeschränkt haben.
