Forschungsbericht 2011 - Max-Planck-Institut für Kernphysik

Das LHCb-Experiment – Materie, Antimaterie, Dunkle Materie und B-Physik

Autoren
Schmelling, Michael
Abteilungen
Teilchen- und Astroteilchenphysik (Prof. Dr. Werner Hofmann)
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Zusammenfassung
Am Large Hadron Collider (LHC) des CERN untersucht das LHCb-Experiment seltene Zerfälle spezieller schwerer Elementarteilchen, sogenannter B-Mesonen. Das Ziel ist es, in Präzisionsmessungen die Grenzen des heutigen Standardmodells der Teilchenphysik auszuloten und Antworten auf die Fragen zu finden, warum vom Urknall keine Antimaterie im Universum übrig geblieben ist und was die Natur der Dunklen Materie ist.

Mit der Inbetriebnahme des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN steht der Teilchenphysik seit Ende 2009 ein Instrument zur Verfügung, welches einen neuen Energiebereich erschließt und damit beste Voraussetzungen schafft, Antworten auf zentrale Fragen zur Struktur unseres Universums und der fundamentalen Wechselwirkungen zu finden.

Offene Fragen der Teilchenphysik

Zu jedem Elementarteilchen gibt es ein Antiteilchen, welches die gleiche Masse und den gleichen Eigendrehimpuls, aber die entgegengesetzte Ladung hat. Treffen Teilchen und Antiteilchen aufeinander, so zerstrahlen sie zum Beispiel in zwei Gammaquanten (energiereiche Lichtteilchen). Umgekehrt kann man aus Energie aber auch wieder Teilchen-Antiteilchen-Paare erzeugen.

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Kollision der Spiralgalaxien NGC 2207 und IC 2163, ca. 114 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.

Eines der zentralen Probleme der Teilchenphysik ist die Frage, warum vom Urknall her keine Antimaterie übrig geblieben ist, denn nach allem was man bisher weiß, wurden aus der anfangs vorhandenen Energie zunächst gleiche Mengen Materie und Antimaterie erzeugt. Da sich Materie und Antimaterie bei Kontakt gegenseitig zerstrahlen, müssten diese im heutigen Universum räumlich getrennt sein. Man könnte sich zum Beispiel vorstellen, dass es Galaxien aus Materie und solche aus Antimaterie gibt. Allerdings müsste man dann bei Kollisionen von Galaxien, wie zum Beispiel in Abbildung 1, in der Hälfte aller Fälle Vernichtungsstrahlung sehen. In der Tat wird diese in keinem Fall beobachtet. Auch sonst gibt es keine Hinweise darauf, dass irgendwo im Universum nennenswerte Mengen von Antimaterie existieren.

Die Voraussetzungen zur Erklärung dieser Beobachtung wurden erstmals von A. Sakharov [1] formuliert. Einer der Schlüssel dabei ist die sogenannte CP-Verletzung, d.h. ein Unterschied in den fundamentalen Wechselwirkungen unter Austausch von Teilchen und Antiteilchen (C) bei gleichzeitiger Raumspiegelung (P). Das sogenannte Standardmodell der Teilchenphysik kennt zwar CP-Verletzung und kann prinzipiell einen Materieüberschuss des Universums erklären, es reicht aber nicht aus, die Beobachtungen quantitativ zu beschreiben. In unserem Universum gibt es etwa 100 Milliarden Galaxien, aber wenn die Physik durch das Standardmodell vollständig beschrieben wäre, dann gäbe es nur Materie für 100 Galaxien. Man nimmt daher an, dass es Physik jenseits des Standardmodells gibt, sogenannte Neue Physik.

Besonders interessant sind hier schwere Elementarteilchen, sogenannte B-Mesonen, die etwa fünfmal so schwer sind wie ein Wasserstoffatom, aber einen hunderttausend Mal kleineren Durchmesser haben. Es sind zusammengesetzte Teilchen, deren Masse zu 99% aus Antimaterie besteht, während die Masse ihrer Antiteilchen praktisch gänzlich Materie ist. Diese schweren Teilchen sind nicht stabil und zerfallen in Tochterteilchen, in denen Materie und Antimaterie gleich stark vertreten sind. Interessanterweise zerfallen nun B-Mesonen schneller in bestimmte Endzustände als ihre Antiteilchen, d.h. es gibt Prozesse, wo die Antimaterie schneller verschwindet als die Materie. Durch detaillierte Untersuchungen solcher Phänomene hofft man, den Grund für den Materieüberschuss des Universums zu verstehen und Evidenz für Neue Physik zu finden.

Darüber hinaus weiß man heute, dass nur ca. 4% der Masse des Universums aus normaler Materie bestehen. Daneben muss es noch einen fast sechsmal größeren Anteil von sogenannter dunkler Materie geben, deren Natur gegenwärtig völlig ungeklärt ist. Es gibt begründete Vermutungen, dass es sich bei dieser dunklen Materie um bisher unentdeckte Elementarteilchen handelt. Falls dies zutrifft, dann müssten diese Elementarteilchen die Zerfälle von B-Mesonen beeinflussen. Besonders sensitiv sind hier seltene Zerfälle, d.h. Zerfallskanäle, die im Standardmodell stark unterdrückt sind, sodass ansonsten kleine Beiträge von Neuer Physik hier stärker zum Tragen kommen.

Das LHCb-Experiment

LHCb ist ein Experiment am Large Hadron Collider (LHC) des CERN. Der LHC-Speicherring hat einen Umfang von 27 km, liegt ca. 100 m unter der Erde und erlaubt es in vier Wechselwirkungszonen, Protonenstrahlen mit hoher Energie zur Kollision zu bringen. Dabei wird ein Teil der Bewegungsenergie in neue Teilchen, unter anderem auch B-Mesonen umgewandelt. LHCb ist optimiert zur Untersuchung dieser Teilchen. Der Nachweis erfolgt mit einem komplexen Detektorsystem, welches es gestattet, die Zerfallsprodukte der B-Mesonen aus dem Untergrund der nicht interessierenden Teilchen heraus zu selektieren und daraus die Mutterteilchen zu rekonstruieren.

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Installation des LHCb-Experiments in der Kaverne. Der Detektor ist ca. 20 m lang und 10 m hoch.

Eine Seitenansicht des ca. 20 m langen und 10 m hohen LHCb-Detektors ist in Abbildung 2 zu sehen, Aufbau und Funktionsweise sind in Referenz [2] beschrieben. Der Kollisionspunkt innerhalb des Speicherringes liegt am rechten Rand der Halle. In der Reaktion entstehende geladene Teilchen werden mithilfe eines Magnetspektrometers registriert, neutrale Teilchen mithilfe von Kalorimetern nachgewiesen. Weitere Detektorkomponenten (Tscherenkow-Detektoren und Muon-System) dienen der Teilchenidentifizierung. Der Detektor kann Ereignisraten bis zu 40 MHz verarbeiten. Ein aufwendiges Filtersystem sucht dabei aus der Menge aller Wechselwirkungen jene seltenen Ereignisse heraus, welche Information über die bei LHCb untersuchten physikalischen Fragestellungen enthalten. Pro Sekunde werden dabei bis zu 2.000 Ereignisse für die weitere Analyse gespeichert. Der Rest wird verworfen. Dennoch bedeutet dies pro Jahr ein Datenvolumen von etwa 1 Petabyte. Die Analyse dieser Daten geschieht im weltweiten Computing-Grid auf Tausenden von vernetzten CPUs und Speichersystemen.

Beiträge des MPI für Kernphysik zum LHCb-Detektor

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Detail einer Komponente des Spurfindungssystems von LHCb. Von links nach rechts erkennt man Siliziumstreifenzähler, Verdrahtungsträger und Auslesechip.

Das gesamte Experiment wird in internationaler Zusammenarbeit von mehr als 730 Wissenschaftlern aus über 50 Instituten in 15 Ländern betrieben. Der LHCb-Detektor hat ca. 1,1 Million Auslesekanäle, wovon etwa 40% mit Siliziumsensoren bestückt sind. Die Gruppe des MPI für Kernphysik hat Auslesechips und Elektronik für diese, sowie einen Teil der Sensoren beigesteuert. Die Chips sind Spezialentwicklungen, da kommerzielle Elektronik in der Nähe des LHC-Strahls nur wenige Stunden überleben würde. Abbildung 3 ist die Detailaufnahme einer Detektorkomponente, bei der das MPI für Kernphysik maßgeblich beteiligt ist. Man erkennt einen Siliziumstreifenzähler, von dem die Signale über einen Verdrahtungsträger zum Auslesechip geführt werden. Der Chip hat eine Fläche von 5,1 mm x 6,4 mm. Der Streifenabstand auf dem Sensor von knapp 200 Mikrometern erlaubt eine präzise Rekonstruktion von Teilchenspuren in LHCb.

Erste Ergebnisse

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Visualisierung einer Proton-Proton-Kollision in LHCb. Das Bild zeigt die rekonstruierten Trajektorien geladener Teilchen.

Die Komplexität der Physikanalyse bei LHCb wird durch Abbildung 4 illustriert. Sie zeigt den Endzustand einer Proton-Proton-Kollision, wie er aus den Rohdaten des Detektors rekonstruiert werden konnte. In weniger als 1% solcher Kollisionen werden B-Mesonen erzeugt, und auch dann stammen nur etwa 10% aller Spuren aus Zerfällen dieser Teilchen.

Beim Start im November 2009 brachte der LHC Protonen mit einer Schwerpunktsenergie von 0,9 TeV (Tera-Elektronenvolt) zur Kollision. Würde man diese Energie vollständig in Materie umwandeln, so könnte man daraus z.B. 480 Wasserstoffatome und die gleiche Anzahl von Antiwasserstoffatomen erzeugen. Obwohl höhere Energien schon in Proton-Antiproton-Kollisionen erreicht wurden, war dies das erste Mal, dass die TeV-Skala in Proton-Proton-Wechselwirkungen zugänglich war. Im Jahr 2010 lief die Maschine bei einer Kollisionsenergie von 7 TeV, etwa 3,5-mal mehr als die höchsten bis dahin mit Teilchenbeschleunigern erreichten Energien. Unter diesen Bedingungen haben die Protonen im Speicherring eine Geschwindigkeit von 99,9999964% der Lichtgeschwindigkeit. Zudem gelang es die Strahlintensität soweit zu steigern, dass das Experiment bis Jahresende etwa 2.400 Milliarden Kollisionen gesehen hatte. Über 99% der fast 1,1 Millionen Auslesekanäle des LHCb-Detektors waren in dieser Zeit voll funktionsfähig, und die Kalibration des überaus komplexen Gesamtsystems erreichte fast die anvisierten Designwerte.

Die ersten Physikstudien waren Messungen zur Produktion von Teilchen, die Quarks enthalten, welche nicht als Konstituenten des Protons vorliegen und damit in der Kollision erzeugt werden müssen. Es zeigte sich, dass die Wahrscheinlichkeit zur Erzeugung schwerer Quarks durch die Theorie gut beschrieben wird [3], dass die gängigen phänomenologischen Modelle aber Schwierigkeiten haben, die Produktion von leichten Quarks zu beschreiben [4]. Damit liefern bereits die ersten Daten von LHCb wichtige Information zum Verständnis der Teilchenproduktion bei den hohen Energien.

Es ist bemerkenswert, dass bereits im ersten Jahr, mit nur 2% der unter nominellen Bedingungen erwarteten Ereigniszahl, viele der wichtigsten B-Meson-Zerfälle nachgewiesen werden konnten. Darunter sind auch Prozesse, die bei den derzeit das Feld noch dominierenden B-Fabriken nicht zugänglich sind. Zudem gelang es, erste Evidenz für CP-Verletzung zu sehen. Ab 2011 wird LHCb in der Lage sein, sein volles Physikprogramm anzugehen, wobei die bis Jahresende erwartete Sensitivität auf Neue Physik vergleichbar oder besser als die bisheriger Experimente ist. Im Idealfall könnte LHCb damit schon Anfang 2012 erste Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells finden.

1.
A. D. Sakharov:
Violation of CP Symmetry, C-Asymmetry and Baryon Asymmetry of the Universe.
Pisma v Zhurnal Eksperimentalnoi i Teoreticheskoi Fiziki 5, 32-35 (1967); Übersetzung in JETP Letters 5, 24-27 (1967).
2.
A. Augusto Alves Jr. et al. (LHCb Collaboration):
The LHCb detector at the LHC.
Journal of Instrumentation (JINST) 3, S08005, doi: 10.1088/1748-0221/3/08/S08005 (2008).
3.
R. Aaij et al. (LHCb Collaboration):
Measurement of sigma(pp -> b anti-b X) at sqrt(s)=7 TeV in the forward region.
Physics Letters B 694, 209-216, doi: 10.1016/j.physletb.2010.10.010 (2010).
4.
R. Aaij et al. (LHCb Collaboration):
Prompt K0s production in pp collisions at sqrt(s)=0.9 TeV.
Physics Letters B 693, 69-80, doi:10.1016/j.physletb.2010.08.055 (2010).
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