Physiker am CERN könnten auf der Schwelle zur Entdeckung neuer Physik stehen

Die Ergebnisse legen nahe, dass bestimmte subatomare Teilchen, die am LHC erzeugt werden, sich aufweisen könnten, die nicht mit den Vorhersagen des Modells übereinstimmen. Elementarteilchen sind die bekanntesten grundlegenden Einheiten der Materie. Sie lassen sich nicht in kleinere Bestandteile zerlegen.

Ihre Wechselwirkungen werden durch vier fundamentale Kräfte bestimmt: die Gravitation, die Elektromagnetismus, die schwache Wechselwirkung und die starke Wechselwirkung. Der LHC ist ein riesiger Teilchenbeschleuniger, der in einem 27 Kilometer langen kreisförmigen Tunnel unter der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz untergebracht ist.

Sein Hauptziel besteht darin, das Standardmodell zu testen und nach Bereichen zu suchen, in denen die Theorie versagen könnte. Das Standardmodell bleibt die beste Erklärung, die Wissenschaftler für fundamentale Teilchen und Kräfte haben, doch es ist bekannt, dass es unvollständig ist.

Es umfasst nicht die Gravitation

Es umfasst nicht die Gravitation und kann Dunkle Materie, die unsichtbare und noch nicht nachgewiesene Form, die etwa 25 % des Universums ausmachen soll, nicht erklären. Im LHC werden Strahlen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, zur Kollision gebracht, um Hinweise auf unentdeckte Physik zu finden.

Die neuen Ergebnisse stammen, einem Experiment am Large Hadron Collider, bei dem diese Kollisionen analysiert werden. Das Ergebnis ergibt sich aus der Untersuchung des Zerfalls – einer Art Transformation –, den B-Mesonen. Wir untersuchten, wie diese B-Mesonen in andere Teilchen zerfallen, und stellten fest, dass die spezifische Art, wie dies geschieht, mit den Vorhersagen des Standardmodells nicht übereinstimmt.

Eine unter Spannung stehende Theorie Das Standardmodell basiert auf zwei der transformativesten physikalischen Durchbrüche des 20. Jahrhunderts: der Quantenmechanik und Einsteins spezieller Relativitätstheorie. Physiker können Messungen aus Einrichtungen wie dem LHC mit Vorhersagen auf Basis des Standardmodells vergleichen, um die Theorie rigoros zu testen.

Obwohl wir wissen, dass das Standardmodell

Obwohl wir wissen, dass das Standardmodell unvollständig ist, haben Teilchenphysiker in über 50 Jahren zunehmend präziserer Prüfung noch keinen Riss in der Theorie gefunden. Das könnte sich nun ändern. Unsere Messung, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, zeigt eine Abweichung Erwartungen des Standardmodells.

In der Praxis bedeutet dies, dass nach Berücksichtigung der Unsicherheiten aus den experimentellen Ergebnissen und den theoretischen Vorhersagen die Wahrscheinlichkeit, dass eine zufällige Schwankung der Daten dieser Extremart auftritt, wenn das Standardmodell korrekt ist, nur 1 zu 16.000 beträgt.

Obwohl dies noch nicht den Goldstandard der Wissenschaft erreicht – was als fünf Sigma oder fünf Standardabweichungen (entsprechend einer Wahrscheinlichkeit 1 zu 1,7 Millionen) bekannt ist – beginnt die Evidenz sich aufzubauen. Zu dieser überzeugenden Erzählung tragen Ergebnisse eines unabhängigen LHC-Experiments, CMS, das Anfang 2025 veröffentlicht wurden, bei.

Obwohl die CMS-Ergebnisse nicht so präzise

Obwohl die CMS-Ergebnisse nicht so präzise sind wie die, stimmen sie gut überein und stärken den Fall. Unsere neuen Ergebnisse wurden in einer Untersuchung einer bestimmten Art, bekannt als elektroschwacher Penguin-Zerfall. Seltene Zerfälle schärfen den Test. Der Begriff „Penguin" bezieht sich auf eine spezifische Art (Transformation) kurzlebiger Teilchen.

In diesem Fall untersuchen wir, wie sich ein B-Meson in vier andere subatomare Teilchen zerlegt – einen Kaon, einen Pion und zwei Myonen. Mit etwas Phantasie lässt sich die Anordnung der beteiligten Teilchen als Pinguin visualisieren. Entscheidend ist, dass Messungen dieses Zerfalls es uns ermöglichen zu erforschen, wie eine Art, der Beauty-Quark, in einen anderen, den Strange-Quark, umgewandelt werden kann.

Dieser Pinguin-Zerfall ist im Standardmodell extrem selten: ällt nur eines auf diese Weise. Wir haben die Winkel und Energien analysiert, bei denen diese Teilchen im Zerfall entstehen, und die Häufigkeit des Prozesses präzise bestimmt. Dabei ergaben sich Abweichungen zwischen unseren Messungen dieser Größen und den Vorhersagen des Standardmodells.

Präzise Untersuchungen ällen wie diesem gehören

Präzise Untersuchungen ällen wie diesem gehören seit seiner Gründung im Jahr 1994 zu den Hauptzielen des LHCb-Experiments. Penguin-Prozesse sind einzigartig empfindlich gegenüber den Effekten potenziell sehr schwerer neuer Teilchen, die am LHC nicht direkt erzeugt werden können. Solche Teilchen können dennoch einen messbaren Einfluss auf diese Zerfälle ausüben, der über den kleinen Beitrag des Standardmodells hinausgeht.

Eine solche indirekte Beobachtung ist nicht neu. Zum Beispiel wurde die Radioaktivität 80 Jahre vor dem direkten Nachweis der dafür verantwortlichen fundamentalen Teilchen (den W-Bosonen) entdeckt. Neue Daten werden die Anomalie testen.

Unsere Untersuchungen seltener Prozesse ermöglichen es uns, Bereiche der Natur zu erforschen, die sonst möglicherweise erst mit Teilchenbeschleunigern zugänglich wären, die für die 2070er Jahre geplant sind. Es gibt eine breite Palette potenzieller neuer Theorien, die unsere Ergebnisse erklären könnten.

Viele davon enthalten neue Teilchen, sogenannte

Viele davon enthalten neue Teilchen, sogenannte „Leptoquarks", die die beiden verschiedenen Arten – „Leptonen" und „Quarks" – vereinen. Andere potenzielle Theorien beinhalten Teilchen, die schwerere Analoga zu denen sind, die bereits im Standardmodell gefunden wurden. Die neuen Ergebnisse schränken die Form dieser Modelle ein und werden zukünftige Suchen nach ihnen leiten.

Trotz unserer Begeisterung bleiben offene theoretische Fragen, die uns davon abhalten, definitiv zu behaupten, dass Physik jenseits des Standardmodells beobachtet wurde. Die drängendste Frage ergibt sich aus den sogenannten „charming penguins", einer Gruppe, die im Standardmodell vorkommen und deren Beiträge extrem schwierig vorherzusagen sind.

Aktuelle Schätzungen dieser charming penguins deuten darauf hin, dass ihre Effekte nicht groß genug sind, um unsere Daten zu erklären. Darüber hinaus legen eine Kombination aus einem theoretischen Modell und experimentellen Daten, dass die charming penguins (und folglich auch das Standardmodell) Schwierigkeiten haben, die anomalen Ergebnisse zu erklären.

Neue, bereits gesammelte Daten werden es

Neue, bereits gesammelte Daten werden es uns in den kommenden Jahren ermöglichen, die Situation zu bestätigen: In unserer aktuellen Arbeit haben wir etwa 650 Milliarden Zerfälle, die zwischen 2011 und 2018 aufgezeichnet wurden, um diese Penguin-Zerfälle zu finden. Seitdem hat das LHCb-Experiment dreimal so viele B-Mesonen registriert.

Für die 2030er Jahre sind weitere Fortschritte geplant, um zukünftige Upgrades des LHC zu nutzen und einen Datensatz zu akkumulieren, der nochmals 15-mal größer ist. Dieser endgültige Schritt wird es ermöglichen, definitive Aussagen zu treffen und möglicherweise ein neues Verständnis dafür zu gewinnen, wie das Universum auf der elementarsten Ebene funktioniert.

Referenz: „Eine umfassende Analyse des 𝐵0→𝐾*0⁢𝜇+⁢𝜇−-Zerfalls" der LHCb-Kollaboration, 19. Dezember 2025, arXiv. DOI: 10.48550/arXiv.2512.18053. Angepasst aus einem Artikel, der ursprünglich in The Conversation veröffentlicht wurde.