Größter Datensatz von verschränkten B-Mesonen aufgezeichnet

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Damit übertrifft das Experiment, an dem Prof. Thomas Kuhr, Professor für Expertimentalphysik an der Fakultät für Physik, forscht, sein Vorgängerexperiment, Belle, und läutet ein neues Kapitel von Präzisionsmessungen ein.

Mit dem SuperKEKB-Beschleuniger am japanischen Institut für Hochenergiephysik, KEK, in Tsukuba werden ELektronen und Positronen auf eine Energie von 7 bzw 4 Gigaelektronenvolt beschleunigt und zur Kollision gebracht. Dabei entstehen unter anderem gebundene Zustände aus einem Bottom- und einem Anti-Bottom-Quark, die in Paare von B-Mesonen zerfallen. Die B-Mesonen bestehen aus einem Bottom- und einem leichten Up- oder Down-Quark und befinden sich in einem verschränkten Zustand. Aufgrund dieser quantenmechanischen Verschränkung wird der Zustand des einen B-Mesons festgelegt, wenn das andere zerfällt, ohne dass zwischen beiden ein direkter Austausch stattfindet.

Dies ermöglicht es, Unterschiede im Verhalten von B-Mesonen und Anti-B-Mesonen zu untersuchen. Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie sind erforderlich, um zu erklären, weshalb es in unserem Universum nur Materie und praktisch keine Antimaterie gibt. Allerdings sind die bisher beobachteten Unterschiede nicht ausreichend, um die Materie-Antimaterie-Asymmetrie in unserem Universum zu erklären. Die Asymmetrie ist eine Grundvoraussetzung für die Entstehung von Galaxien und letztlich Leben. Ihre Erforschung zählt zu den aktiven Forschungsfeldern im ORIGINS-Clusters.

Neben der Verschränkung von B-Mesonen zeichnen sich die von Belle II aufgezeichneten Kollisionsereignisse dadurch aus, dass die Anfangsbedingungen genau bekannt sind und es keinen Untergrund durch Prozesse der starken Wechselwirkung wie am LHC gibt. Dadurch sind einzigartige Messungen von Zerfällen mit “unsichtbaren” Teilchen wie Neutrinos oder dunkler Materie möglich. Auch Messungen sogenannter exotischer Zustände bestehend aus mehr als drei Quarks profitieren von den “reinen” Bedingungen.

Um Fortschritt auf dem breiten, von Belle II abgedeckten Forschungsgebiet zu erzielen, muss die Messpräzision gesteigert werden. Dies bedeutet, dass eine größere Anzahl von Ereignissen aufgezeichnet werden muss, um auch kleine Effekte beobachten zu können, die Hinweise auf die Lösung fundamentaler Fragen wie den Ursprung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum oder auf die Identität dunkler Materie geben können. Die Rate an Kollisionsereignissen konnte bei SuperKEKB bereits um mehr als einen Faktor zwei gegenüber dem Vorgänger gesteigert werden. Mit dem der Aufzeichnung des weltweit größten Datensatzes von verschränkten B-Meson-Paaren ist ein weiterer Meilenstein erreicht (siehe auch https://www.kek.jp/en/press/202606051400)

“Diese Spitzenleistung war nur durch die jahrelange Zusammenarbeit vieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit möglich” sagt Professor Kuhr. “Es ist ein Meilenstein für das Belle II-Physikprogramm. Mit dem Datensatz werden Messungen mit bisher unerreichter Präzision möglich. Wir werden in den nächsten Jahren viel darüber lernen, wo sich neue Physik befindet und wo nicht.“

Der SuperKEKB-Beschleuniger und das Belle II-Experiment pausieren derzeit für Wartungsarbeiten und kleine Verbesserungen. Anfang nächsten Jahres wird die Datennahme wieder aufgenommen. Parallel dazu wird ein größeres Upgrade von Beschleuniger und Detektor ab 2032 geplant. Neue Rekorde und spannende Physik-Resultate sind in den kommen Jahren zu erwarten.

Die Forschung am Belle II-Experiment wird vom BMFTR sowie im Rahmen des Exzellenzclusters ORIGINS durch die DFG gefördert.