Nach 42 Jahren Suche: CERN-Forscher finden erste Spur in eine Welt, die 100 Milliarden Mal kleiner ist als ein Atom

Tauscht man in Gedanken jeden Menschen auf der Erde gegen ein sogenanntes Beauty-Teilchen, dann zerfällt womöglich kein einziges auf die Weise, nach der Physiker seit 1984 suchen. Acht Milliarden Versuche reichen dafür statistisch nicht.

Am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf ist dieser Zerfall nun erstmals greifbar geworden. Das Experiment LHCb hat am Dienstag bei einem Seminar am CERN einen ersten belastbaren Hinweis darauf vorgestellt.

Bestätigt er sich, wäre es der seltenste Zerfall eines Beauty-Teilchens, der je beobachtet wurde.

Was am CERN gefunden wurde

Es geht um ein Teilchen namens Bd, ein sogenanntes B-Meson. Es enthält ein Beauty-Quark, einen schweren Verwandten der Bausteine, aus denen Protonen und Neutronen bestehen.

Solche Teilchen existieren nur rund anderthalb Billionstel Sekunden, dann zerfallen sie, berichtet der britische Forschungsrat UKRI. Fast immer entstehen dabei ganz andere Teilchen.

Nur etwa eines von zehn Milliarden Bd-Teilchen zerfällt laut Standardmodell der Physik in genau zwei Myonen. Das sind Verwandte des Elektrons, allerdings rund 200-mal schwerer.

Die Jagd im Large Hadron Collider

Im 27 Kilometer langen Ringbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) prallen Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander. Dabei entstehen Beauty-Teilchen in riesiger Zahl, und mit ihnen ein gewaltiges Rauschen anderer Zerfälle.

Möglich wurde die Messung durch einen Umbau des LHCb-Detektors, der 2024 abgeschlossen war. Seitdem sammelt er Daten fünfmal so schnell wie zuvor. Ein Detektorteil sitzt nur wenige Millimeter neben dem Teilchenstrahl und zeigt, wo ein Beauty-Teilchen entsteht und wo es zerfällt.

Das 19-köpfige Analyseteam siebte das Signal zusätzlich mit maschinellem Lernen aus dem Hintergrund heraus.

Warum Physiker noch nicht von einer Entdeckung sprechen

Gemessen wird die Sicherheit in Sigma. Ab drei Sigma spricht die Physik von einem Hinweis. Die Wahrscheinlichkeit, dass reiner Zufall das Signal erzeugt hat, liegt dann bei rund 0,3 Prozent.

LHCb kommt mit den Daten aus 2024 und 2025 auf 3,0 Sigma, zusammen mit älteren Messungen auf 3,2. Für eine offizielle Entdeckung verlangen Physiker fünf Sigma, also eine Zufallschance von etwa eins zu 3,5 Millionen.

Die Strenge hat Gründe. Schon 2015 meldeten LHCb und das Nachbarexperiment CMS gemeinsam erste Hinweise auf den Zerfall. Spätere Daten konnten das laut ORF nicht bestätigen.

42 Jahre Geduld

Begonnen hat die Suche 1984 am Experiment CLEO der Cornell University in den USA, wie das Portal Forschung und Wissen nachzeichnet. Jahrzehntelang konnten Experimente nur sagen, wie selten der Zerfall höchstens sein darf.

Vier Jahrzehnte für drei Sigma klingt nach wenig Ertrag. Es ist das Gegenteil: Genau diese Geduld macht die Teilchenphysik so verlässlich.

Was ist das Zeptoversum?

Ein Zeptometer ist der milliardste Teil eines billionstel Meters. Ein Atom ist rund 100 Milliarden Mal größer. Wäre ein Atom so groß wie die Erde, hätte ein Zeptometer gerade einmal die Dicke eines Haares.

In dieser Größenordnung könnten sich unbekannte Teilchen und Naturkräfte verbergen. Die Universität Manchester, deren Forscher den Detektor mitgebaut haben, nennt diese Welt das Zeptoversum.

Warum ein seltener Zerfall so viel verraten kann

Neue Teilchen könnten zu schwer sein, um sie im LHC direkt zu erzeugen. Indirekt würden sie sich trotzdem bemerkbar machen, weil sie verändern, wie oft ein bekanntes Teilchen auf einem bestimmten Weg zerfällt.

Je seltener der Zerfall, desto empfindlicher reagiert er. Conor Fitzpatrick, stellvertretender Physik-Koordinator von LHCb, nennt den Bd-Zerfall deshalb einen „goldenen Kanal“ für die Suche nach neuer Physik.

Harry Cliff von der Universität Cambridge, der die Analyse mitleitete, sagt, der Prozess sei wegen seiner Seltenheit unglaublich schwer zu finden.

Die Verbindung zur dunklen Materie

Das Standardmodell beschreibt nur rund fünf Prozent des Kosmos, also die gewöhnliche Materie aus Sternen, Planeten und Menschen. Etwa 95 Prozent entfallen auf dunkle Materie und dunkle Energie, deren Natur niemand kennt.

Teilchen, die dieses Rätsel lösen könnten, vermuten die Cambridge-Forscher im Zeptoversum. Die neue Messung stimmt allerdings noch mit dem Standardmodell überein. Sie zeigt aber, wie stark mögliche neue Teilchen höchstens mitmischen dürfen.

Wie es weitergeht

Ab 2030 soll der aufgerüstete High-Luminosity-LHC laufen, Mitte der 2030er-Jahre ist ein weiterer Umbau von LHCb geplant. Mit deutlich mehr Daten wollen die Forscher die fünf Sigma erreichen.

Der britische Physiker Brian Cox, nicht an dem Experiment beteiligt, sagt laut der Universität Manchester, man könne noch nicht wissen, ob dieser Fortschritt klein bleibe oder die Welt verändere. Nach 42 Jahren Suche ist das eine Frage, auf deren Antwort sich das Warten lohnt.