Kalorimeter des LHCb

LHCb – Materie, Antimaterie und der kleine Unterschied

Mit dem LHCb-Experiment wollen Forscher herausfinden, warum das Universum hauptsächlich aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Dazu führen sie Präzisionsmessungen an Teilchen durch, die das zweitschwerste Quark – das Beauty- oder Bottom-Quark – enthalten.

Foto einer großen unterirdischen Halle mit zahlreichen technischen Komponenten, die zu einem zehn Meter hohen Detektor zusammengesetzt werden.
Das LHCb-Experiment im Frühjahr 2008

Wissenschaftler gehen davon aus, dass unmittelbar nach dem Urknall Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen vorhanden waren. Materie und Antimaterie vernichten sich gegenseitig. Wenn die Regeln der Physik für Materie und Antimaterie exakt gleich wären, müssten sich also alle Materie und Antimaterie vollständig ausgelöscht haben. Das stimmt zum Glück nicht ganz: Ein winziger Bruchteil (1:1.000.000.000) der ursprünglich vorhanden Materie ist übrig geblieben – aus dieser Materie besteht unser heutiges Universum, wir Menschen eingeschlossen. Mithilfe des LHCb-Experiments am Teilchenbeschleuniger LHC am Forschungszentrum CERN untersuchen Physiker die kleinen Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie anhand sogenannter Beauty-Hadronen. Diese Teilchen enthalten das zweitschwerste Quark, das Beauty- oder Bottom-Quark.

Die Materieteilchen sind in drei Familien angeordnet: 1. Familie: Up-Quark, Down-Quark, Elektron und Elektron-Neutrino. 2. Familie: Charm-Quark, Strange-Quark, Myon und Myon-Neutrino. 3. Familie: Top-Quark-Bottom-Quark, Tauon und Tau-Neutrino.
Die Materieteilchen des Standard-Modells

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Bausteine der Materie und ihre Wechselwirkungen. Das Modell ist extrem erfolgreich: Es ist in der Lage, alle bisherigen Messungen an Experimenten aus der Hochenergiephysik vollständig zu beschreiben. Dennoch gibt es einige Fragen, auf die das Standardmodell keine befriedigende Antwort liefert. Beispielweise gibt es viele Parameter – wie etwa die Stärke der Kopplungen oder die Masse der Teilchen –, die ad hoc in das Modell eingeführt sind und nicht fundamental erklärt werden können. Deshalb glauben Physiker, dass das Standardmodell nur eine effektive Theorie ist, das heißt, eine Näherung einer allgemeineren Theorie, die die Physik in den bisher untersuchten Energiebereichen gut beschreibt. So etwas kommt in der Physik häufiger vor. Ein Beispiel ist die Newtonsche Mechanik: Bei Geschwindigkeiten, die in unserem Alltag auftreten, beschreibt diese Theorie die Gesetze der Physik zwar genau, doch letztlich ist sie nur eine Näherung der Relativitätstheorie für kleine Geschwindigkeiten.

Foto einer Technikerin in Reinraumkleidung, die an einer Reihe von gleichartigen elektronischen Modulen eines Nachweisgeräts arbeitet.
Siliziummodule für den Vertexdetekor von LHCb

Im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik werden kleine Asymmetrien, also Unterschiede im Verhalten von Teilchen und Antiteilchen, vorausgesagt. Solche Asymmetrien wurden mithilfe von Beauty-Hadronen schon in den Experimenten Babar am SLAC in Kalifornien und Belle am KEK in Japan sowie den Experimenten CDF und D0 bei Fermilab in Chicago nachgewiesen. Allerdings reichen die im Standardmodell vorhergesagten Asymmetrien bei Weitem nicht aus, um den Materieüberschuss im Universum zu erklären. Die Physiker am LHCb-Experiment hoffen deshalb, Asymmetrien zu entdecken, die von den Vorhersagen des Standardmodells abweichen, um so Hinweise auf eine allgemeinere, fundamentalere Theorie zu erhalten.

Indirekte Suche nach neuen Teilchen

Foto eines Mannes auf einer Hebebühne, der an einer etwa neun Meter hohen Wand aus Nachweisgeräten arbeitet.
Kalorimeter von LHCb

Wie die Experimente ATLAS und CMS hat sich auch LHCb der Suche nach neuen Teilchen verschrieben. Die beteiligten Physiker erwarten, dass diese neuen Teilchen schwerer sind als alle bisher bekannten Teilchen – mit ein Grund, warum sie bisher noch nicht nachgewiesen wurden. Im Gegensatz zu ATLAS und CMS wendet man bei LHCb jedoch eine andere Methode zur Suche an. Denn in den Detektoren ATLAS und CMS suchen Wissenschaftler nach neuen Teilchen, die direkt in der Kollision entstehen und anhand ihrer Zerfallsprodukte direkt nachgewiesen werden können. Bei den am LHC erreichbaren Energien und Anzahlen von Teilchenkollisionen können in direkten Suchen Teilchen mit einer Masse von bis zu einigen Teraelektronenvolt (1 TeV entspricht 1.000.000.000.000 eV) aufgespürt werden.

Neue Teilchen können aber auch indirekt produziert werden, das heißt, sie existieren nur für eine extrem kurze Zeit im Rahmen einer quantenmechanischen Energieunschärfe. Obwohl diese Teilchen nur für einen winzigen Augenblick da sind, haben sie Einfluss auf beobachtbare Prozesse, wie zum Beispiel das Verhältnis der Zerfallsraten von Beauty-Hadronen und deren Antiteilchen. Der Vorteil von indirekten Suchen nach neuen Teilchen ist, dass bei gleichen Schwerpunktsenergien und gleicher Teilchenkollisionsrate Beiträge von Teilchen nachgewiesen werden können, deren Masse mehrfach so groß ist wie bei direkten Suchen.

Um neue Teilchen anhand ihrer Beiträge in Zerfällen von Beauty-Hadronen nachweisen zu können, müssen diese Zerfälle sehr präzise theoretisch berechnet und experimentell vermessen werden. Nur wenn die Zerfallsraten, die das Standardmodell vorhersagt, genau bekannt sind, können Wissenschaftler kleine Abweichungen in experimentellen Messungen als Zeichen allgemeinerer Theorien interpretieren. Auf der theoretischen Seite sind die Berechnungen der Standardmodellvorhersagen für Beauty-Hadronen in den vergangenen Jahrzehnten immer weiter verfeinert worden.

Computergrafik von zahlreichen Teilchenspuren, die durch die hintereinander angeordneten, rechteckigen Detektorlagen des LHCb-Experiments hindurchfliegen.
Erste Spuren eines Protonenstrahls in LHCb

Auf der experimentellen Seite ist das LHCb-Experiment als Beauty-Physik-Experiment gebaut worden, das ausschließlich für die optimale Vermessung von Beauty-Hadronen konzipiert wurde.

Von Vorteil ist dabei, dass die indirekten Suchen bei LHCb weitgehend unabhängig von der genauen Form der übergeordneten Theorie des Standardmodells sind. Ob Supersymmetrie oder Extradimensionen: Die Wissenschaftler erwarten, dank LHCb die neuen Teilchen als Abweichungen vom Standardmodell in Präzisionsmessungen an Beauty-Hadronen nachweisen zu können. Die indirekten Suchen am spezialisierten Beauty-Experiment LHCb sind somit komplementär zu den direkten Suchen an den beiden Universaldetektoren ATLAS und CMS.

 

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Deutsche Beiträge zu LHCb

Am LHCb-Experiment beteiligen sich 650 Wissenschaftler von 52 Instituten aus 15 Ländern. In Deutschland arbeiten rund vierzig Wissenschaftler des Physikalischen Instituts der Universität Heidelberg, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg und der Technischen Hochschule Dortmund am LHCb-Experiment, darunter 25 Doktoranden und Diplomanden.

Foto von einer Arbeitsgruppe aus einer Frau und acht Männern hinter glänzenden, länglichen Nachweisgeräten
Bau der Module für den Outer Tracker

Die deutschen Wissenschaftler haben wichtige Beiträge zur Entwicklung und zum Bau des Outer Tracker sowie zur Entwicklung der Ausleseelektronik des Inner Tracker und des Outer Tracker geleistet. Sie waren auch maßgeblich an der Entwicklung des Strahlmonitors beteiligt – ein System aus Diamantsensoren, die im Abstand von zweieinhalb Metern vom Kollisionspunkt direkt am Strahlrohr Teilchenraten messen. Werden diese Raten zu hoch, wird der Strahl unterbrochen, um Schäden an den Detektoren zu vermeiden.

Des Weiteren arbeiten Mitarbeiter der deutschen Gruppen führend an der Softwareentwicklung zur Analyse der Daten der Spurkammern. Sie entwickeln Algorithmen, die aus den Signalen in den Spurkammern die Bahnen der Teilchen rekonstruieren. Die Spurkammern können nur auf etwa einen Millimeter genau in den LHCb-Detektor eingebaut werden. Komplexe Algorithmen wurden entwickelt und bereits an ersten Daten getestet, um die Position der Spurkammern trotzdem auf einige Hundertstel Millimeter genau zu bestimmen.

Mitarbeiter der deutschen Gruppen arbeiten außerdem an schnellen Algorithmen, die auf Triggerebene helfen, zu entscheiden, welche Ereignisse potenziell ein Beauty-Hadron enthalten und deshalb aufgezeichnet werden.