Seltenheit eines Teilchenzerfalls vermessen

500000 Mal unwahrscheinlicher als ein Lottogewinn

Die moderne Physik hat eine große Zahl theoretischer Ansätze entwickelt, mit denen sich die Welt der Elementarteilchen beschreiben ließe. Nun müssen Experimente aussortieren, welche Theorien der Realität standhalten. Eines davon ist das sogenannte MEG-Experiment am Paul Scherrer Institut PSI.

Die PSI-Forschenden Angela Papa und Stefan Ritt am MEG-Experiment. Viele Kabel sind nötig, um die vielen Teilchendetektoren auszulesen. Damit wiederum können die Forschenden alle beobachteten Teilchenzerfälle auswerten, um nach dem besonderen MEG-Zerfall zu fahnden. (Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)

In einer Zusammenarbeit mit Forschenden aus Italien, Japan, Russland und den USA suchen PSI-Physiker nach einem bestimmten, bislang jedoch noch nie beobachteten Zerfall von Elementarteilchen namens Myonen. Genauer gesagt beziffern sie, wie hoch die Unwahrscheinlichkeit für eben diesen Zerfall ist. Ihre neueste Zahl lautet: Höchstens eines von 2,4 Billionen Myonen zerfällt nach dem MEG-Muster. Damit ist ein solcher Zerfall rund fünfhunderttausend Mal unwahrscheinlicher als ein Sechser im Schweizer Lotto.

Für diese hochgenaue Messung haben die Forschenden extrem viele Myonenzerfälle beobachtet, was nur hier am PSI möglich war, wo sich die weltweit leistungsstärkste Myonenstrahl-Anlage befindet. Die PSI-Forschungsgruppe bricht daher zum wiederholten Mal ihren eigenen Weltrekord bei der Vermessung der MEG-Wahrscheinlichkeit. Das aktuelle Forschungsergebnis präsentierten die Forschenden nun auf der internationalen Konferenz „Les Rencontres de Physique de la Vallée d'Aoste“ in La Thuile, Italien.

Es sind exotische Elementarteilchen, die auch noch sehr kurzlebig sind: Myonen zerfallen praktisch direkt nach ihrer Entstehung in andere, stabilere Teilchen. Sie können dabei jedoch unterschiedliche Zerfallspfade einschlagen, das heißt: Entweder resultiert aus dem Zerfall diese oder aber jene Gruppe von Teilchen. Ein ganz besonderer dieser Zerfallspfade ist zwar noch nie beobachtet worden, ist aber für Physiker von großem Interesse: Der Zerfall eines Myons in ein Elektron und ein Lichtteilchen. Dieser wird auch kurz MEG-Zerfall genannt, für Myon-Elektron-Gamma, wobei Gamma das Lichtteilchen bezeichnet.

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Klar ist bislang, dass ein MEG-Zerfall extrem selten ist. Wie selten genau, das wollen Forschende am Paul Scherrer Institut mit dem MEG-Experiment beziffern. Sie erhoffen sich dabei die Entdeckung einer sogenannten neuen Physik – und damit eine Tür zu bisher ungeklärten Phänomenen im Universum. Aufgrund der neuesten Messungen der Forschenden, die wieder keinen einzigen MEG-Zerfall zutage brachten, lässt sich nun sagen: Die Wahrscheinlichkeit für diesen Zerfall ist kleiner als 1 zu 2,4 Billionen und damit rund fünfhunderttausend Mal unwahrscheinlicher als sechs Richtige im Schweizer Lotto.

Das MEG-Experiment kann Theorien zum Universum überprüfen
Diese experimentell ermittelte Zahl ist ein relevanter Parameter für theoretische Physiker, die mathematische Modelle entwickeln, mit denen sich nichts weniger als unser gesamtes Universum beschreiben lässt. Manche dieser Theorien – darunter das derzeit gebräuchliche Standard-Modell der Teilchenphysik – besagen, dass der MEG-Zerfall so gut wie nie vorkommt und damit unmöglich zu beobachten ist. Das Standard-Modell ist ein umfassendes Konzept, das sehr vieles von dem erklärt, was die Menschheit bisher beobachten konnte – aber leider nicht ganz alles. Unter anderem verschweigt das Standard-Modell die Existenz der sogenannten Dunklen Materie und der Dunklen Energie: Jener mysteriösen Stoffe, die zusammen rund 95 Prozent des Universums bilden sollen.

Darum suchen Wissenschaftler weltweit nach einer neuen Physik. Diese würde dargestellt durch eine Theorie, die die Vorhersagen des Standard-Modells beinhaltet, jedoch auch darüber hinausgeht – und damit unser Universum umfassender beschreibt. Eine vielversprechende Gruppe von Theorien ist Susy, kurz für Supersymmetrie. Viele der theoretischen Modelle aus der Susy-Familie sagen eine Wahrscheinlichkeit für den MEG-Zerfall voraus, die so hoch liegt, dass sich dieses Ereignis am PSI früher oder später beobachten lassen sollte. Mit jeder noch genaueren Messung, bei der der Zerfall nicht gefunden wird, lässt sich daher eine Reihe alternativer Theorien verwerfen.

Fünf Jahre lange Messung – an der weltweit leistungsstärksten Myonenquelle
Die neu bezifferte Unwahrscheinlichkeit des MEG-Zerfalls erhielten die Forschenden durch die Auswertung von Daten, die sie am PSI zwischen 2009 und 2013 beinahe kontinuierlich sammelten. Nicht nur die lange Messzeit war erforderlich, um das nun vorliegende Ergebnis zu erhalten – auch die Versuchsdurchführung am PSI war entscheidend: Hier befindet sich die weltweit leistungsstärkste Myonenanlage, an der sich pro Sekunde rund 30 Millionen Myonenzerfälle beobachten lassen. Nur dank dieses hohen Durchsatzes konnten die Forschenden in den fünf Jahren ganze 2,4 Billionen Myonen und ihre Zerfälle vermessen. Der entscheidende MEG-Zerfall war nicht dabei – und so kommen sie auf die neue Obergrenze der Wahrscheinlichkeit für diesen Zerfall.

Kein Fund – und doch ein bedeutendes Ergebnis
Obgleich also der MEG-Zerfall nicht gefunden wurde, sehen die beteiligten Forschenden ihr Experiment als Erfolg an. „Dadurch, dass wir den Zerfall bisher nicht gesehen haben, können wir die gedankliche Linie verschieben, hinter der nach einer neuen Physik gesucht werden muss“, erklärt Angela Papa, Teilchenphysikerin am PSI und Koautorin der neuen Studie. „Und sollten wir eines Tages doch einen MEG-Zerfall beobachten, wäre das ein starker Hinweis auf neue Physik.“

Das bedeutet bislang nicht, dass ein gesamter theoretischer Ansatz wie beispielsweise die Supersymmetrie verworfen werden muss, sondern lediglich individuelle Modelle innerhalb solcher Theorie-Familien.

Ihr MEG-Experiment und damit die Suche nach dem Zerfall werden die PSI-Forschenden auch in Zukunft verfeinern und fortsetzen. Ob der Zerfall eines Tages nun beobachtet wird oder nicht – die Messergebnisse werden in jedem Fall wesentlich zu unserem Wissen um die fundamentalen Strukturen der Materie beitragen.

Text: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann

Weiterführende Informationen:
http://psi.ch/UxpB – Erkenntnis aus dem Nichts
http://psi.ch/UWvM – Ein entscheidender Zerfall
http://psi.ch/6ZDr – Die Vermessung der Gleichzeitigkeit

Kontakt/Ansprechpartner:
Dr. Angela Papa
Labor für Teilchenphysik, Paul Scherrer Institut
E-Mail: angela.papa@psi.ch (Englisch, Italienisch)

Dr. Stefan Ritt
Labor für Teilchenphysik, Paul Scherrer Institut
E-Mail: stefan.ritt@psi.ch (Deutsch, Englisch)

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