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BELLE II
Die Jagd nach dem Z‘-Boson
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Physik 
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21. April 2020

Vor ziemlich genau einem Jahr ist in Japan das Belle-II-Experiment angelaufen. In dessen Rahmen soll unter anderem versucht werden, das Z‘-Boson nachzuweisen, das eine entscheidende Rolle beim Verständnis der Dunklen Materie spielen könnte. In den ersten, jetzt veröffentlichten Ergebnissen findet sich von dem gesuchten Teilchen aber noch keine Spur.

Belle II

Kollisionsereignisse im Inneren des Belle II-Detektors. Bild: KEK / Belle II  [Großansicht]

Seit etwa einem Jahr nimmt das Belle-II-Experiment Daten für physikalische Messungen. Sowohl der Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB als auch der Detektor Belle II waren in mehrjährigen Umbauarbeiten gegenüber den Vorgängern verbessert worden, um eine 40 Mal höhere Rate an Daten zu erzielen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an zwölf Instituten in Deutschland sind maßgeblich am Bau und Betrieb des Detektors, der Entwicklung von Auswertungsalgorithmen und der Analyse der Daten beteiligt. Das Max-Planck-Institut für Physik, das Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft, die Ludwigs-Maximilians-Universität und die Technischen Universität München leisteten federführende Beiträge zur neuen Entwicklung des hochsensiblen innersten Detektors, dem Pixel-Vertex-Detektor und der Software zur Auswertung der Daten.

Mit Belle II suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach Spuren neuer Physik, mit der sich zum Beispiel das ungleiche Vorkommen von Materie und Antimaterie oder die mysteriöse Dunkle Materie erklären lassen. Eines der bisher unentdeckten Teilchen, nach dem der Belle-II-Detektor Ausschau hält, ist das Z‘-Boson – eine Variante des bereits nachgewiesenen Z-Bosons. Letzteres agiert als Austauschteilchen für die schwache Wechselwirkung.

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Soweit man weiß, besteht etwa 25 Prozent des Universums aus Dunkler Materie, wohingegen die sichtbare Materie knappe 5 Prozent des Energiebudgets ausmacht. Beide Materieformen ziehen sich gegenseitig über die Schwerkraft an. So bildet die Dunkle Materie eine Art Schablone für die Verteilung der sichtbaren Materie, was sich zum Beispiel in der Anordnung von Galaxien im Universum zeigt.

Das Z‘-Boson könnte eine interessante Rolle beim Zusammenspiel von Dunkler und normaler, sichtbarer Materie spielen, also eine Art Vermittler zwischen den beiden Materieformen sein. Das Z‘ kann – zumindest theoretisch – aus der Kollision von Elektronen (Materie) und Positronen (Antimaterie) im SuperKEKB hervorgehen und dann in unsichtbare Dunkle-Materie-Teilchen zerfallen. Somit kann das Z‘-Boson helfen, das Verhalten von Dunkler Materie zu verstehen – und nicht nur das: Mit der Entdeckung des Z‘ ließen sich auch andere Beobachtungen erklären, die nicht mit dem Standardmodell, der grundlegenden Theorie der Teilchenphysik, in Einklang stehen.

Doch wie lässt sich das Z‘-Boson im Belle-II-Detektor aufspüren? Nicht auf direktem Weg, so viel ist sicher. Theoretische Modelle und Simulationsrechnungen sagen voraus, dass sich das Z‘ durch Wechselwirkungen mit Myonen, schwereren Verwandten der Elektronen, verraten könnte: Wenn man nach den Elektron-/Positron-Zusammenstößen eine ungewöhnliche hohe Anzahl an Myonen-Paaren mit gegensätzlicher Ladung sowie unerwartete Abweichungen bei Energie- und Impulserhaltung entdecken würde, wäre das ein wichtiges Indiz für das Z‘.

Allerdings lieferten die neuen Belle II-Daten noch keine Anzeichen für das Z'-Boson. Jedoch können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit den neuen Daten die Masse und Kopplungsstärken des Z'-Bosons mit einer bisher unerreichbaren Genauigkeit einschränken.

"Trotz der noch geringen Datenmenge können wir jetzt Messungen machen, die es so bisher noch nicht gegeben hat", sagt der Sprecher der deutschen Gruppen, Prof. Thomas Kuhr von der LMU München. "Das unterstreicht die wichtige Rolle des Belle-II-Experiments bei der Erforschung der elementaren Teilchen."

Diese ersten Ergebnisse stammen aus der Analyse einer kleinen Menge an Daten, die noch in der Anlaufphase von SuperKEKB im Jahr 2018 gewonnen wurden. Seinen Vollbetrieb nahm Belle II am 25. März 2019 auf. Seither sammelt das Experiment Daten, während gleichzeitig die Kollisionsrate von Elektronen und Positronen stetig verbessert wird. Wenn das Experiment perfekt eingestellt ist, wird es ein Vielfaches der Daten liefern, die in die aktuell veröffentlichten Analysen eingeflossen sind.

Die Physikerinnen und Physiker hoffen so, neue Erkenntnisse über die Natur der Dunklen Materie und andere ungeklärte Fragen zu erzielen. Die ersten Resultate wurden jetzt in den Physical Review Letters veröffentlicht.

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siehe auch
SuperKEKB: Suche nach der verschwundenen Antimaterie - 2. April 2019
SuperKEKB: Erste Teilchenkollisionen gemessen - 8. Mai 2018
SuperKEKB: Dem Antimaterie-Rätsel auf der Spur - 26. März 2018
SuperKEKB: Elektronen und Positronen kreisen - 4. April 2016
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Physik
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