LHCb – Materie, Antimaterie und der kleine Unterschied
Mit dem LHCb-Experiment wollen die Forscher herausfinden, warum das Universum hauptsächlich aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Dazu führen sie Präzisionsmessungen an beauty-Hadronen durch – Teilchen, die das zweitschwerste Quark, das beauty- oder bottom-Quark, enthalten.
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. Mit Hilfe des LHCb-Experiments am Teilchenbeschleuniger LHC bei CERN in Genf untersuchen die Physiker die kleinen Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie anhand so genannten beauty-Hadronen (das sind Teilchen, die das zweitschwerste Quark, das beauty- oder bottom-Quark, enthalten).
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 Hochenergiephysik-Experimenten vollständig zu beschreiben. Dennoch gibt es einige Fragen, auf die das Standardmodell keine befriedigende Antwort liefert. Beispielweise gibt es viele Parameter wie die Stärke der Kopplungen und die Masse der Teilchen, die ad hoc in das Modell eingeführt sind und nicht fundamental erklärt werden können. Deshalb glauben die Physiker, dass das Standardmodell nur eine effektive Theorie ist, das heißt eine Näherung einer allgemeineren Theorie, die die Physik in den bisher untersuchten (Energie-)Bereichen gut beschreibt. So etwas gibt es häufiger in der Physik. Beispielsweise ist die Newtonsche Mechanik, die bei Geschwindigkeiten, die in unserem Alltag auftreten, die Gesetze der Physik genau beschreibt, nur eine Näherung der Relativitätstheorie für kleine Geschwindigkeiten.
Im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik werden kleine Asymmetrien, also Unterschiede im Verhalten von Teilchen und Antiteilchen, vorausgesagt. Solche Asymmetrien wurden mit beauty-Hadronen schon an den Experimenten Babar bei SLAC in Kalifornien und Belle bei KEK in Japan oder den Experimenten CDF und D0 bei Fermilab in Chicago nachgewiesen. Allerdings sind die im Standardmodell vorhergesagten Asymmetrien bei Weitem nicht ausreichend, um den Materieüberschuss im Universum zu erklären. Die Physiker am LHCb-Experiment hoffen, 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
Wie ATLAS und CMS hat sich auch LHCb der Suche nach neuen Teilchen verschrieben. Die 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 LHCb jedoch eine andere Methode zur Suche an. ATLAS und CMS suchen 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 Tera-Elektronenvolt (1 TeV = 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 so kurz 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 durch ihre 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 Standardmodell-Vorhersagen für beauty-Hadronen in den letzten Jahrzehnten immer weiter verfeinert worden.
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.
Deutsche Beiträge zu LHCb
Am LHCb-Experiment sind 650 Wissenschaftler aus 52 Instituten aus 15 Ländern beteiligt. In Deutschland arbeiten circa 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.
Die deutschen Wissenschaftler haben wichtige Beiträge zur Entwicklung und zum Bau des Outer Tracker sowie zur Entwicklung der Ausleseelektronik des Inner und des Outer Tracker geleistet. Sie waren auch maßgeblich an der Entwicklung des Strahlmonitors beteiligt. Das ist ein System aus Diamantsensoren, die im Abstand von 2,5 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 circa 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.