„Kollision“ führt zu neuen Ergebnissen! Empfindliche Sonden zur Erforschung des Unterschieds zwischen Materie und Antimaterie

Das Beijing Spectrometer III (BESIII)-Experiment am Beijing Electron-Positron Collider hat eine völlig neue Methode implementiert und bietet eine äußerst empfindliche Sonde zur Untersuchung des Unterschieds zwischen Materie und Antimaterie. Am 2. Juni wurden die entsprechenden Forschungsergebnisse im Fachjournal Nature veröffentlicht.

Alle anonymen Gutachter des Artikels lobten diese Leistung in den höchsten Tönen: „Innovative Messmethode“, „sehr wichtig“, „sehr neuartig“, „attraktiv“, „sehr vielversprechend“ … Welche Art von Leistung hat die anonymen Gutachter so begeistert?

Demonstration des positiv-negativen Corsi-Hyperon-Kaskadenzerfalls. Foto bereitgestellt vom Institut für Hochenergiephysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Antimaterie, die sich nicht gut paart

Die „Materie-Antimaterie-Asymmetrie“ ist ein Problem, das die wissenschaftliche Gemeinschaft seit mehr als einem halben Jahrhundert beschäftigt und zugleich ein Phänomen, nach dem Teilchenphysiker gesucht haben. Sie erwähnen oft ein Wort: „CP-Zerstörung“.

Das „CP“ in „CP-Zerstörung“ ist nicht dasselbe wie das „CP“ (Paar) in „CP-Bildung“, das wir normalerweise sagen.

Vor 13 Milliarden Jahren, nach dem Urknall, dehnte sich das Universum rasch aus und kühlte ab, und eine große Zahl positiver und negativer Teilchen vereinigten sich und vernichteten sich gegenseitig. Doch genau wie bei einem streitenden Paar unterscheiden sich die Verhaltensweisen von Teilchen und Antiteilchen während des Prozesses der Kombination und Vernichtung leicht. Für jede Milliarde vernichteter Teilchen und Antiteilchen bleibt ein Materieteilchen übrig, das letztendlich die gesamte Materie des heutigen Universums bildet.

Das Phänomen, dass die Zerfallsprozesse positiver Teilchen und Antiteilchen unterschiedlich ablaufen, nennen Wissenschaftler „CP-Verletzung“.

Der Name „CP-Verletzung“ ist eng mit Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang verbunden. Das von ihnen vorgeschlagene „Gesetz der Nichterhaltung der Parität“, für das sie den Nobelpreis für Physik erhielten, besagt, dass bei den schwachen Wechselwirkungen von Teilchen eine „spiegelartige“ Asymmetrie der Raumreflexion vorliegt.

Auf dieser Grundlage kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass es sich um eine „CP-Verletzung“ handelt. „Mithilfe des CP-Verletzungsphänomens lässt sich erklären, warum es in unserer Welt nur Materie und keine Antimaterie gibt.“ Wang Yifang, Direktor des Instituts für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte gegenüber China Science Daily.

Warum verschwand die ursprüngliche Antimaterie im Universum?

Die Zerstörung des Hyperion CP könnte das Rätsel lösen

Seit den 1960er Jahren haben ausländische Wissenschaftler sukzessive CP-Verletzungen in Mesonensystemen entdeckt. Die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie ist jedoch nicht vollständig erklärt.

„Unter den Hauptteilchen, aus denen die Welt besteht, gibt es nur sehr wenige Mesonen, und die zusätzliche positive Materie, die beim Zerfall von Mesonen entsteht, reicht nicht aus, um die heutige Welt zu bilden“, sagte Wang Yifang.

Im Gegensatz zu den seltenen Mesonen sind Baryonen die Hauptteilchen, aus denen die Welt besteht. „Wenn wir eine CP-Verletzung bei Baryonen feststellen können, werden wir das Geheimnis des Verschwindens der primordialen Antimaterie im Universum besser verstehen“, sagte Wang Yifang.

Leider ist es Wissenschaftlern nie gelungen, eine CP-Verletzung beim Baryonenzerfall festzustellen, da „schwache Zerfallssignale manchmal durch starke Wechselwirkungen maskiert werden“. „Wenn wir also die CP-Verletzung von Baryonen erkennen wollen, müssen wir über eine ausreichend hohe Empfindlichkeit und innovative experimentelle Methoden verfügen, um die Signale schwacher Wechselwirkungen von denen starker Wechselwirkungen unterscheiden zu können“, sagte Wang Yifang.

Ein Hyperon ist eine Art Baryon, ähnlich einem Proton, hat aber eine sehr kurze Lebensdauer, sodass es im Gegensatz zu einem Proton nicht um uns herum existieren kann. Unter den Hyperonen gibt es ein Mitglied namens Corsi-Hyperon, das aus zwei seltsamen Quarks und einem leichten Quark besteht. Wenn das Strange-Quark einen schwachen Zerfall erfährt, verschwindet es.

Der Hyperonenzerfall wird von Wissenschaftlern als „vielversprechendes Jagdrevier für die Suche nach CP-Verletzungen“ angesehen, da einige der zur Messung der CP-Verletzung erforderlichen Informationen direkt durch den Zerfall von Hyperonen gemessen werden können.

Hochpräzises Messverfahren entdeckt

Seit 2009 hat das BESIII-Experiment etwa 10 Milliarden J/psi-Partikel aus den „Trümmern“ von Elektron-Positron-Kollisionen gesammelt. Dieses „J/psi“ genannte Teilchen zerfällt und erzeugt positive und Anti-Corch-Hyperonen. Anschließend zerfallen die positiven und Anti-Corch-Hyperonen weiter und verschwinden.

Forscher der BESIII-Experimentiergruppe analysierten anhand von 1,3 Milliarden der 10 Milliarden Teilchenereignisse den Entstehungsprozess positiver und Anti-Corch-Hyperonen und rekonstruierten mehr als 70.000 Paare positiver und Anti-Corch-Hyperonen. Auf diese Weise wird BESIII zu einer sauberen und kompakten Corsi-Hyperonen-„Fabrik“.

„Sauber“, weil die Hintergrundkontaminationsrate weniger als ein Tausendstel beträgt. „Klein“ liegt daran, dass die Hyperonenproduktion im BESIII-Experiment nicht so groß ist. Der „Zufall“ liegt darin, dass die Empfindlichkeit des BESIII-Experiments hoch genug ist.

„Unsere Hyperonenausbeute beträgt nur ein Tausendstel der Ausbeute eines HyperCP-Experiments am Fermilab in den USA, aber die Empfindlichkeit eines einzelnen Ereignisses ist tausendmal so hoch wie die eines HyperCP-Ereignisses“, sagte Li Haibo, Sprecher des BES III-Experiments und Forscher am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Bei der Analyse der Daten entdeckten Forscher der BESIII-Experimentalgruppe eine Methode zur hochpräzisen Messung der CP-Verletzung von Hyperonen.

Zuvor hatten sie entdeckt, dass zwischen den neu zerfallenen positiven Corch-Hyperonen und den Anti-Corch-Hyperonen ein besonderes Phänomen – die „Quantenverschränkung“ – existiert. Indem sie diesen einzigartigen Quantenverschränkungseffekt ausnutzten und ihn mit anderen Dateninformationen zu Corch-Hyperonen kombinierten, konnten die Experimentatoren nicht nur gleichzeitig die Zerfallssignale von positiven und Anti-Corch-Hyperonen aus riesigen Datenmengen ermitteln, sondern auch die Asymmetrieparameter von positiven und Anti-Corch-Hyperonen mit beispielloser Genauigkeit messen.

„Die neue Methode löst das 30 Jahre alte Dilemma, Hyperonen und ihre Antiteilchen nicht gleichzeitig und effizient messen zu können, und liefert zudem aussagekräftigere Messergebnisse zur CP-Verletzung“, sagte Li Haibo.

„Diese Errungenschaft hat die Aufmerksamkeit internationaler Kollegen erregt. Die betreffenden Forscher wurden eingeladen, Sonderberichte auf der Internationalen Lepton-Photon-Konferenz 2021 zu halten und wurden zu aufstrebenden Stars auf diesem Gebiet“, sagte Wang Yifang.

Es wurden noch keine neuen physikalischen Phänomene entdeckt, weitere Daten werden analysiert

Leider zeigten die Messergebnisse der BESIII-Experimentiergruppe keine Anzeichen einer CP-Verletzung von Hyperonen. Dennoch wurde die Entdeckung der neuen Methode von internationalen anonymen Gutachtern anerkannt.

Ein anonymer Gutachter kommentierte: „Auch wenn keine neuen Anzeichen einer CP-Verletzung gefunden wurden, ist die Forschungsmethode dennoch interessant.“ Ein anderer anonymer Gutachter ist der Ansicht, dass „die neue Methode den Weg für zukünftige Experimente weist und ebnet.“

„Diese innovative Methode gibt uns Hoffnung, in Zukunft Quellen der CP-Verletzung über das Standardmodell hinaus bestätigen oder ausschließen zu können“, sagte Wang Yifang.

Mit dieser Hoffnung im Hinterkopf stellt sich das Experimentalteam der Herausforderung, eine höhere Messgenauigkeit zu erreichen. „Wir hoffen, dass wir mit dieser Messmethode in naher Zukunft experimentelle Beweise für die CP-Verletzung von Hyperonen finden können.“ Wang Yifang sagte, dass das BESIII-Experimentierteam 10 Milliarden Teilchenzerfallsdaten analysiere und dass man damit erwarte, dass sich die Messgenauigkeit um etwa das Dreifache verbessere.

Derzeit ist dieses Experimentalteam, das hauptsächlich in unserem Land forscht, einem starken internationalen Wettbewerb ausgesetzt.

„Der Bottom-Quark-Detektor des Large Hadron Collider (LHC-b) der Europäischen Organisation für Kernforschung produziert ebenfalls eine große Anzahl von Hyperonen. Ihre Hintergrundkontaminationsrate ist jedoch höher als bei uns.“ Li Haibo sagte gegenüber China Science Daily, dass der Messvorteil der BESIII-Experimentgruppe im „perfekten Detektordesign“ des BESIII-Experiments liege.

BESIII ist ein Detektor am Elektron-Positronen-Collider in Beijing, der ersten groß angelegten wissenschaftlichen Einrichtung für Teilchenphysik in der Geschichte meines Landes. Im Mittelpunkt stehen zwei wissenschaftliche Fragen: Wie bilden Quarks materielle Teilchen und der Ursprung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universums.

Wang Yifang führte aus, dass im Rahmen des BESIII-Experiments seit 2009 mehr als 400 Forschungsergebnisse veröffentlicht wurden. Der Betrieb der Sonde ist bis 2030 geplant.

Als groß angelegtes, von meinem Land unabhängig entwickeltes Hochenergie-Experiment hat das BESIII-Experiment etwa 500 Forscher aus 80 wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen in 17 Ländern angezogen und ist die größte internationale Kooperationsgruppe, die derzeit in China tätig ist. Die diesmal veröffentlichten neuen Ergebnisse wurden gemeinsam von chinesischen Wissenschaftlern und ausländischen Mitarbeitern erarbeitet.