2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Exklusive und inklusive Zerfälle von B-Mesonen unterscheiden sich darin, auf welche Teilchen sie am Ende achten: auf ein bestimmtes Teilchen (exklusiv) oder auf alle Arten von Teilchen mit der gewünschten Quark-Zusammensetzung (inklusive).
Die LHCb-Kollaboration hat auf neue Weise die Wahrscheinlichkeit gemessen, mit der sich ein hübsches b-Quark in ein u-Quark verwandelt, ein mysteriöser Prozess, bei dem sich verschiedene Experimente stark voneinander unterscheiden. Die neue Dimension gibt einer der bisherigen eindeutig den Vorzug, ist aber noch weit von der vollständigen Lösung des Rätsels entfernt. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht und sind frei verfügbar.
Die schwache Wechselwirkung von Elementarteilchen ist die einzige Kraft in unserer Welt, die die Art der Quarks verändern kann. Dank ihm brennt zum Beispiel die Sonne. Dieser lebenswichtige Prozess entsteht dadurch, dass beim Zusammenstoß zweier Protonen im Inneren der Sonne das u-Quark in ein d-Quark übergeht, was zur Bildung eines Deuterons führt. Außerdem erleichtern schwache Wechselwirkungen die Welt; ohne sie würden die Kerne nicht nur Protonen und Neutronen enthalten, sondern auch andere Hadronen, die aus schweren Quarks bestehen. Uns bleibt eine so wahnsinnige Komplexität der Welt nur deshalb erspart, weil diese schweren Quarks durch schwache Wechselwirkungen schnell zu leichten werden.
Um schwache Wechselwirkungen gut zu studieren - und auch zu versuchen, durch sie die Neue Physik zu erkennen - ist es notwendig, die Wahrscheinlichkeiten von Quarktransformationen genau zu messen. Das Standardmodell kann sie nicht vorhersagen, es beschreibt sie nur anhand einer numerischen Drei-mal-Drei-Matrix (dies ist die Quark-Mischungsmatrix oder CKM-Matrix, für die 2008 der Nobelpreis verliehen wurde). Aber jedes Element dieser Matrix kann in Collider-Experimenten gemessen werden. Am Collider werden bei Teilchenkollisionen schwere Hadronen geboren und zerfallen, und sie werden aufgrund der starken Wechselwirkung paarweise geboren und aufgrund der schwachen nur zerfallen. Durch Messung der Anzahl der Zerfälle jedes Typs kann man die Wahrscheinlichkeiten von Quarktransformationen bestimmen und die Elemente der Quarkmatrix extrahieren.
Diese Aktivität läuft seit vielen Jahren, und im letzten Jahrzehnt ist ein Problem in vollem Umfang aufgetreten, für das Physiker noch keine Lösung finden können. Es handelt sich um die Transformation eines reizenden b-Quarks in ein u-Quark, also das Matrixelement |Vub |. Dieser Prozess wird am bequemsten durch den Zerfall von entzückenden Hadronen in leichte Hadronen und Leptonen gemessen, und dies kann auf zwei Arten erfolgen – durch inklusive und durch exklusive Zerfälle (siehe oben).
Exklusive Decays sind, wenn Sie eine bestimmte Decay-Option wählen, mit sehr spezifischen Partikeln am Anfang und am Ende. Im vorliegenden Fall wird üblicherweise der ausschließliche Zerfall des B-Mesons in ein π + -Meson, ein Myon und ein Antineutrino untersucht. Inklusive Zerfälle sind allumfassende Prozesse, das heißt, wenn alle Varianten des Zerfalls in verschiedene Endteilchen, die aus dieser Quarktransformation resultieren können, aufsummiert werden. Die Hauptsache ist, dass am Ende ein Hadron mit einem U-Quark herausfliegt, und es ist nicht mehr wichtig, was für ein Hadron es sein wird. Diese beiden Methoden unterscheiden sich stark in ihren experimentellen Feinheiten sowie theoretischen Berechnungen, die benötigt werden, um die Zahl |Vub |. zu extrahieren aus den Zerfallswahrscheinlichkeiten.
Experimente beider Typen wurden an spezialisierten Collidern durchgeführt, die für die Herstellung schöner Mesonen "geschärft" wurden. Das Problem ist, dass sie zwei verschiedene Ergebnisse lieferten. Aus inklusiven Zerfällen stellte sich heraus | Vub | = (4, 41 ± 0,22) · 10−3, vom Exklusiven gibt es eine deutlich kleinere Zahl, (3, 28 ± 0,29) · 10−3. Die Diskrepanz ist mit drei Standardabweichungen signifikant, und es ist unmöglich, eine vernünftige Erklärung dafür zu finden. Es könnte aus Gewohnheit auf die Unsicherheiten theoretischer Berechnungen zurückgeführt werden. Es zeigt sich jedoch, dass unterschiedliche theoretische Ansätze immer noch zu den gleichen Ergebnissen führen.
Entweder haben wir also einen Fehler in der experimentellen Technik vor uns, der in allen Dimensionen dauerhaft vorhanden ist und nicht identifiziert werden kann, oder es handelt sich um ein neues physikalisches Phänomen. Theoretiker fanden sogar heraus, welche Art von neuer Physik eine solche Diskrepanz verursachen könnte. Auf die eine oder andere Weise ist es erforderlich, zumindest zu verstehen, welche der Methoden das richtige Ergebnis liefert, und erst dann nach Fehlern in der anderen zu suchen. Das Problem wurde übrigens für Physiker so ärgerlich, dass in diesem Jahr sogar eine spezielle wissenschaftliche Konferenz abgehalten wurde, die sich ganz den "frechen" Zerfällen des b-Quarks widmete.
Drei Messgruppen des Parameters |Vub|: inklusive (grün) und exklusive (rot) Zerfälle von B-Mesonen, sowie das neue LHCb-Ergebnis (blau).
Die LHCb-Kollaboration berichtet, dass sie zum ersten Mal einen weiteren exklusiven Zerfall gemessen hat: Λb → pμν, der noch nie zuvor nachgewiesen wurde. Es basiert auf der gleichen b → u Transformation, jedoch wird hier nicht der Zerfall eines Mesons, sondern eines Baryons verwendet. (Das ist übrigens das sehr reizvolle Baryon, bei dessen Zerfall kürzlich ein Pentaquark entdeckt wurde.) Dieser völlig neue Zerfall, der neue theoretische Berechnungen einschließt, ergab den Wert (3.27 ± 0.22) · 10−3. Sie stimmt vollständig mit dem Ergebnis der exklusiven Zerfälle von B-Mesonen überein und weicht noch stärker um 3, 5 σ von den inklusiven Daten ab.
Die Implikationen dieser Dimension sind zweifach. Einerseits "zieht" es eindeutig das Vertrauen in exklusive Trennungen. Auf der anderen Seite erklärt es immer noch nicht, was das Problem mit inklusiven Pannen ist. Darüber hinaus gibt es bisher keine Überprüfung der inklusiven Methode für das Λb-Baryon; wer weiß, vielleicht kehrt das Rätsel nach dieser Messung zurück. Zudem zeigte die neue Messung, dass keine einfache Neue Physik die Diskrepanz erklären kann: Die drei Ergebnisse – das inklusive, das alte exklusive und das neue LHCb-Ergebnis – lassen sich auch unter Berücksichtigung der neuen hypothetischen Teilchen in keiner Weise zusammenführen. Offenbar gibt es bei einigen Methoden noch nicht identifizierte Fallstricke. Welche genau, bleibt jedoch unklar.
Igor Ivanov
