Extrem seltener Kaon-Zerfall weckt Hoffnungen auf neue Physik

Neues Experiment am CERN zeigt erste Ergebnisse / Wissenschaftler hoffen auf weitere Datenauswertung für die Suche nach neuer Physik

15.03.2018

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist in den letzten drei Jahrzehnten in eindrucksvoller Weise und mit hoher Präzision vermessen und immer wieder bestätigt worden. Allerdings lässt das Modell viele Fragen offen, so vor allem nach dem Ursprung der dunklen Materie im Universum. Teilchenphysiker erwarten deshalb eine weitergehende Theorie, die das Standardmodell einschließt, aber zudem Antworten auf die noch offenen Fragen gibt. Eine solche Theorie sollte, so die Vermutungen, auf einer Energieskala von etwa 1 Teraelektronenvolt (TeV) auftreten. Der LHC-Beschleuniger am CERN soll in diesem Energiebereich neue Teilchen und Phänomene finden.

Eine andere, komplementäre und ebenso vielversprechende Möglichkeit zur Suche nach neuer Physik bietet sich bei niedrigeren Energieskalen: Neue Physik kann Auswirkungen auf Teilchenzerfälle haben, deren Rate sich dann von der Standardmodellerwartung unterscheidet. Voraussetzung für die Sensitivität auf neue Physik ist allerdings die Seltenheit des Zerfalls innerhalb des Standardmodells, sodass eine sehr hohe Gesamtzahl von untersuchten Reaktionen benötigt wird.

Das NA62-Experiment am CERN verfolgt genau dieses Ziel. Es sucht nach dem Zerfall des geladenen Kaons in ein geladenes Pion und zwei unbeobachtbare Neutrinos. Laut Standardmodell sollte dieser Zerfall nur einmal in 12 Milliarden Kaonzerfällen vorkommen. Das Experiment wurde über mehrere Jahre bis Mitte 2016 am CERN aufgebaut und nimmt seitdem erfolgreich Daten. Nun sind die allerersten Daten des Jahres 2016 ausgewertet und wurden vor wenigen Tagen von Radoslav Marchevski von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) auf einer internationalen Konferenz im italienischen La Thuile vorgestellt. Im untersuchten Datensatz wurde genau ein Kandidat des extrem seltenen gesuchten Zerfalls gefunden. "Das ist außerordentlich überraschend, weil wir nach dem Standardmodell im Durchschnitt nach dieser Zeit nur mit 0,4 Ereignissen gerechnet hätten", erklärt Dr. Rainer Wanke, der die Gruppe an der JGU leitet.

Trotz dieses vielversprechenden Ergebnisses ist es aber noch viel zu früh, um daraus Schlüsse zu ziehen. Das gezeigte Resultat basiert auf lediglich einem Prozent des gesamten, bis Ende dieses Jahres erwarteten Datensatzes. Derzeit werden daher mit Hochdruck die Daten des Jahres 2017 ausgewertet, die dann bereits eine eindeutige Antwort auf die Entdeckung neuer Physik geben könnten.

Die NA62-Kollaboration besteht aus etwa 140 Wissenschaftlern aus 13 europäischen und nordamerikanischen Ländern. Aus Deutschland ist eine Gruppe der Johannes Gutenberg-Universität Mainz beteiligt, die für das Myonvetosystem verantwortlich zeichnet. Die Gruppe betreut außerdem die PC-Farm zur Online-Datenverarbeitung des Experiments und arbeitet zudem in führender Rolle an der Datenauswertung mit.

Der Teilchendetektor und die Beteiligung der Mainzer Wissenschaftler am NA62-Experiment wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziell gefördert und vom Exzellenzcluster "Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter" (PRISMA) der JGU unterstützt.