Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik endet nur etwa eines von zehn Milliarden neutralen B-Mesonen auf eine ganz bestimmte Weise: Es zerfällt in ein Myon und dessen Antiteilchen. Für diesen extrem seltenen Zerfall B⁰ → μ⁺μ⁻ hat die LHCb-Kollaboration am CERN jetzt erstmals mit den Daten eines einzelnen Experiments statistische Evidenz gefunden. Vorgestellt wurde das Ergebnis am 3. November in einem Seminar am CERN. Die Facharbeit liegt als Preprint vor und ist bei der Fachzeitschrift Physical Review X eingereicht – die Begutachtung steht also noch aus.

Die Signifikanz erreicht 3,2 Standardabweichungen (Sigma). Das genügt in der Teilchenphysik für die Bezeichnung „Evidenz“, aber nicht für eine „Entdeckung“; dafür gilt die Schwelle von 5 Sigma. Gelingt die Bestätigung, wäre es laut CERN der seltenste bisher beobachtete Zerfall eines Teilchens mit Beauty-Quark.

Was LHCb gemessen hat

Ein B⁰-Meson besteht aus einem Beauty-Quark, auch Bottom-Quark genannt, und einem Down-Antiquark. Beim Zerfall B⁰ → μ⁺μ⁻ vernichten sich die beiden, und die frei werdende Energie steckt anschließend in einem Myon – einem schweren Verwandten des Elektrons – und einem Antimyon. Ausgewertet hat LHCb Proton-Proton-Kollisionen aus den Jahren 2024 und 2025, aufgezeichnet bei 13,6 Teraelektronenvolt (TeV) mit dem umgebauten Detektor „Upgrade I“. Die Datenmenge von 18 inversen Femtobarn ist doppelt so groß wie alles, was LHCb von 2011 bis 2018 gesammelt hatte.

Schon die neuen Daten allein zeigen einen Überschuss an Zerfallskandidaten über dem erwarteten Untergrund mit 3,0 Sigma; zusammen mit den älteren Messungen steigt der Wert auf 3,2 Sigma. Das kombinierte Verzweigungsverhältnis – der Anteil der B⁰-Mesonen, die auf diesem Weg zerfallen – liegt bei 1,14 × 10⁻¹⁰, mit einer statistischen Unsicherheit von etwa ±0,4 × 10⁻¹⁰. Das Standardmodell sagt (1,03 ± 0,05) × 10⁻¹⁰ voraus. Messung und Theorie passen zusammen.

Nebenbei liefert die Analyse nach Angaben der Kollaboration die bisher genauesten Werte für den Schwesterzerfall Bₛ → μ⁺μ⁻. Im Bₛ-Meson ist das Down- durch ein Strange-Antiquark ersetzt; sein Zerfall in zwei Myonen kommt etwa dreimal pro Milliarde vor und ist seit 2015 nachgewiesen. LHCb misst kombiniert 3,25 × 10⁻⁹, die Theorie erwartet 3,66 × 10⁻⁹ – auch das ist im Rahmen der Unsicherheiten verträglich.

Evidenz oder Entdeckung: Was 3 und 5 Sigma bedeuten

Die Sigma-Angabe beschreibt, wie gut sich ein Ergebnis allein durch Zufall erklären ließe. Bei 3 Sigma gilt: Bestünden die Daten nur aus Untergrund, entstünde ein mindestens so deutlicher Ausschlag laut CERN nur mit etwa 0,3 Prozent Wahrscheinlichkeit durch eine zufällige Schwankung. Das ist nicht dasselbe wie eine 99,7-prozentige Gewissheit, dass der Zerfall gefunden ist. Für eine Entdeckung verlangt die Teilchenphysik 5 Sigma, also eine Zufallswahrscheinlichkeit von höchstens etwa drei zu zehn Millionen.

Die strenge Schwelle hat Gründe: Systematische Fehler sind schwerer abzuschätzen als statistische, und wer an vielen Stellen sucht, findet irgendwo zwangsläufig Ausreißer. Zahlreiche 3- und 4-Sigma-Effekte sind wieder verschwunden, als mehr Daten vorlagen. Ausgerechnet B⁰ → μ⁺μ⁻ ist ein Beispiel dafür: Eine gemeinsame Auswertung von CMS und LHCb meldete 2015 neben der Entdeckung des Bₛ-Zerfalls auch Evidenz für den B⁰-Zerfall mit 3 Sigma. Spätere Analysen mit Daten bis 2018 bestätigten das nicht.

Ein Unterschied zu vielen anderen Suchen bleibt: Hier geht es nicht um ein hypothetisches neues Teilchen. Das Standardmodell sagt den Zerfall voraus – spannend ist, wie häufig er genau auftritt.

Wie man einen Zerfall unter zehn Milliarden findet

Der LHC erzeugt B-Mesonen in riesiger Zahl, und LHCb ist auf Teilchen mit Beauty-Quark spezialisiert. Seit 2024 zeichnet das Experiment dank eines umfassenden Umbaus Daten mit der fünffachen Rate der Jahre 2010 bis 2018 auf. Dabei wurden unter anderem Spurdetektoren ersetzt, und die Auswahl der zu speichernden Kollisionen erfolgt nun komplett per Software.

Gesucht werden zwei entgegengesetzt geladene Myonen, die aus einem gemeinsamen Punkt deutlich abseits des Kollisionspunkts stammen und deren gemeinsame (invariante) Masse der Masse des B-Mesons entspricht. Das Problem ist der Untergrund: vor allem zufällige Paare von Myonen aus zwei verschiedenen B-Zerfällen, dazu Pionen oder Kaonen, die fälschlich als Myonen erkannt werden, etwa aus B⁰ → K⁺π⁻.

Um diesen Berg an Fehlkandidaten abzutragen, setzt LHCb auf maschinelles Lernen: Ein Klassifikator bewertet unter anderem, wie „isoliert“ ein Myonpaar ist – echte Signalzerfälle haben weniger Begleitspuren in ihrer Nähe. Wie klein das Signal ist, zeigt die Erwartung: Nach dem Standardmodell rechnete das Team in den neuen Daten mit nur rund 26 B⁰ → μ⁺μ⁻-Zerfällen im ausgewerteten Bereich, neben etwa 235 Bₛ-Ereignissen. Weil das B⁰ etwas leichter ist, liegt sein Signal im Massenspektrum knapp unterhalb des deutlich größeren Bₛ-Peaks. Damit niemand unbewusst auf ein Wunschergebnis hinarbeitet, blieb der Massenbereich von 5200 bis 5450 MeV/c² verdeckt, bis die Methode feststand („blinde Analyse“).

Schematischer Längsschnitt durch den LHCb-Detektor mit beschrifteten Komponenten vom Vertex Locator links bis zu den Myonkammern M1 bis M5 rechts

Bild: Schnitt durch den LHCb-Detektor im ursprünglichen Aufbau (Stand 2008): Die Teilchen fliegen vom Kollisionspunkt (links) nach rechts, ganz hinten sitzen die Myonkammern. Für Run 3 wurden mehrere Subdetektoren ersetzt. Grafik: CERN, Wikimedia Commons, Lizenz CC BY-SA 3.0

Warum seltene Zerfälle ein Fenster zu neuer Physik sind

Das Standardmodell ist sehr präzise, enthält aber keinen Kandidaten für die Dunkle Materie und erklärt nicht, warum im Universum Materie gegenüber Antimaterie überwiegt. Viele Erweiterungen sagen deshalb neue Teilchen voraus. Sind diese zu schwer für eine direkte Erzeugung am LHC, können sie sich trotzdem indirekt bemerkbar machen – über quantenmechanische Beiträge zu Prozessen mit bekannten Teilchen.

B⁰ → μ⁺μ⁻ ist dafür besonders empfindlich. Im Standardmodell läuft der Zerfall nur über Umwege mit W- und Z-Bosonen sowie Top-Quarks ab, zusätzlich unterdrücken ihn Drehimpuls- und Helizitätsregeln. Je unwahrscheinlicher ein Zerfall, desto stärker fallen mögliche Beiträge neuer Teilchen ins Gewicht – etwa zusätzlicher Higgs-Bosonen, sogenannter Z′-Bosonen oder Leptoquarks. Laut LHCb-Paper lassen sich mit solchen Prozessen Energieskalen bis 100 TeV abtasten, weit jenseits der direkten Reichweite des LHC.

Weil am Ende nur zwei Myonen stehen, lässt sich die Rate zudem theoretisch vergleichsweise sauber berechnen. Besonders aufschlussreich ist das Verhältnis der Raten von B⁰ und Bₛ. Es liegt im Standardmodell bei 0,028 und bliebe auch in einer ganzen Klasse von Erweiterungen gleich; eine Abweichung würde auf neue Strukturen jenseits des bekannten Quark-Mischungsschemas hindeuten. LHCb misst 0,035 mit einer statistischen Unsicherheit von +0,014/−0,012 – verträglich mit der Erwartung. Die Ergebnisse engen den Spielraum für neue Modelle also weiter ein, statt einen Riss im Standardmodell zu zeigen.

Einordnung: Was andere Experimente gemessen haben

Den Bₛ-Zerfall sah LHCb nach mehr als 30 Jahren Suche 2012 erstmals mit Evidenz; 2015 folgte die Entdeckung in der gemeinsamen Analyse mit CMS. Beim B⁰-Zerfall blieb es dagegen bei Obergrenzen: CMS fand in den Daten von 2016 bis 2018 keine Evidenz, ATLAS nannte 2019 eine Obergrenze von 2,1 × 10⁻¹⁰ (95 Prozent Vertrauensniveau). Die bislang maßgebliche Grenze aus einer 2020 vorgestellten Kombination von ATLAS, CMS und LHCb lag bei 1,6 × 10⁻¹⁰ (90 Prozent). Eine unabhängige Bestätigung des neuen Messwerts durch andere Experimente steht noch aus.

Wie es weitergeht

Ziel ist nun die 5-Sigma-Schwelle, und dafür braucht LHCb vor allem mehr Daten. Der High-Luminosity-LHC soll 2030 starten, ein weiteres LHCb-Upgrade Mitte der 2030er-Jahre könnte die Datenrate laut CERN noch einmal um eine Größenordnung steigern. Marco Santimaria, Co-Leiter des 19-köpfigen Analyseteams, erinnert daran, dass Physiker diesem Zerfall seit mehr als 40 Jahren nachjagen – das CLEO-Experiment setzte schon 1984 eine erste Obergrenze. Harry Cliff, der bei LHCb die Gruppe für seltene Zerfälle koordiniert, sieht in der Evidenz neue Möglichkeiten, Physik jenseits der direkten Reichweite des LHC zu untersuchen. Bis zur Entdeckung ist es aber noch ein Stück: Die 3,2 Sigma sind ein ernstzunehmender Hinweis, kein abschließender Nachweis.

Quellen

Bildnachweis