Hinter fast allen Phänomenen im Universum stecken Teilchen: Sie sind die Grundbausteine von Materie und Strahlung, verleihen allem eine Masse und vermitteln die Grundkräfte. Das Standardmodell der Teilchenphysik listet alle bekannten Teilchen und ihre Antimaterie-Gegenparts auf – aber Lücken bleiben. So können diese Teilchen und Prozesse nicht erklären, woraus die Dunkle Materie besteht, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt oder was die Dunkle Energie antreibt. Physiker suchen daher schon seit Jahrzehnten nach Indizien für eine neue Physik: nach Teilchen oder Kräften, die bisher noch nicht im Standardmodell erfasst sind.
Wenn ein Beauty-Quark auf ein Down-Antiquark trifft…
Jetzt haben Physiker am Teilchenbeschleuniger LHC bei Genf erstmals einen Prozess nachgewiesen, der als besonders sensibler Anzeiger für eine solche neue Physik gilt. Ausgangspunkt für diesen Zerfall ist die Kombination von zwei Quarks – der Familie von Elementarteilchen, aus denen auch Protonen und Neutronen bestehen. Beteiligt sind ein Beauty-Quark – die zweitschwerste Quarksorte – und ein Down-Antiquark – die Antimaterieversion eines auch in Atomkernen vorkommenden Quarks.
Diese Quarkkombination ist extrem instabil: Beauty-Quark und Down-Antiquark löschen sich sofort gegenseitig aus und setzen dabei ein Myon und ein Antimyon frei – schwerere „Cousins“ der Elektronen. „Dieser Zerfall der Beauty-Down-Kombination (B0d) gehört zu einer Gruppe von Teilchenzerfällen, die so selten sind, dass sie seit langem als ‚goldene Kanäle‘ für die Suche nach neuer Physik gelten“, erklären die Physiker der LHCb-Kollaboration am Forschungszentrum CERN.
Das Beauty-Quark (auch Bottom-Quark genannt) ist eines von sechs verschiedenen Quarks im Standardmodell. Materiebausteine wie Protonen und Neutronen sind aus U- und Down-Quarks zusammengesetzt. — © Fermi National Accelerator Laboratory
Seit mehr als 40 Jahren gesucht
Doch weil dieser spezielle Zerfall des Beauty-Quarks so extrem selten ist, ließ er sich bisher nicht eindeutig nachweisen. Dem Standardmodell zufolge kommt er nur einmal pro zehn Milliarden Zerfällen des Beauty-Quarks vor. „Physiker sind schon seit mehr als vierzig Jahren auf der Jagd nach diesem Zerfall“, erklärt Teammitglied Marco Santimaria. „Es ist eine extrem hohe Präzision erforderlich, um die dabei erzeugten Myonen aus dem überwältigenden Hintergrund herauszufiltern.“
2015 schien dies zunächst gelungen zu sein: Forschende am CERN stießen auf erste Indizien dieses extrem seltenen Zerfalls, als sie Daten von Protonenkollisionen im Teilchenbeschleuniger LHC auswerteten. Doch Analysen weiterer Kollisionen konnten dies nicht bestätigen. Der lange gesuchte Beauty-Anti-Down-Zerfall blieb weiter unentdeckt.
Fahndung am größten Teilchenbeschleuniger der Welt
Bis jetzt: Dank eines Upgrades des LHC-Beschleunigers und seiner Detektoren ist es den Physikern der LHCb-Kollaboration nun endlich gelungen, den lange gesuchten Quark-Zerfall dingfest zu machen. Für ihre Analyse hatten sie Daten aus den Jahren 2024 und 2025 ausgewertet, bei denen im LHC Protonen mit einer Energie von 13,6 Teraelektronenvolt kollidierten. Bei diesen Kollisionen entstehen neben vielen anderen kurzlebigen Teilchen auf Beauty-Quarks, die auf Down-Antiquarks treffen und in Myonen zerfallen können.
Mithilfe verbesserter Sensoren und KI-gestützter Analyseprogramme konnten die Physiker aus der Unmenge der Kollisionsprodukte die Paare aus Myon und Antimyon herausfiltern, die beim Zerfall eines Beauty-Quarks und Down-Antiquarks entstanden sein müssen. Sie müssten sich als leichter Überschuss in einem bestimmten Energiebereich der detektierten Teilchen zeigen.
Der kleine grüne Buckel in den Kurven zeigt den Zerfallsweg eines Beauty-Quarks und Down-Antiquarks in zwei Myonen (B0 --> μ+ μ-) — © CERN/ LHCb Collaboration, /CC-by 4.0
Geschafft: Nachweis des Beauty-Zerfalls gelungen
Und tatsächlich: „Wir haben einen Überschuss von B0 → µ⁺µ⁻-Ereignissen beobachtet, der unter Berücksichtigung systematischer Unsicherheiten eine Signifikanz von 3,0 Standardabweichungen aufweist“, berichten die Physiker. Bei Kombination mit Daten aus den früheren Laufzeiten des Teilchenbeschleunigers stieg die Signifikanz auf 3,2 Standardabweichungen. In der Teilchenphysik gilt eine Signifikanz von 3 Sigma als die Schwelle, ab der eine Beobachtung als belegt gilt. Die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Resultat auf bloßem Zufall oder einer statistischen Schwankung beruht, liegt bei rund 0,27 Prozent.
Damit erfüllen die neuen Ergebnisse die Voraussetzungen: „Den Nachweis für diesen seltenen Zerfall zu sehen, ist unglaublich aufregend“, sagt Harry Cliff von der LHCb-Kollaboration. Zum ersten Mal ist es gelungen, diesen vom Standardmodell vorhergesagten, aber extrem seltenen Zerfallsweg des Beauty-Quarks eindeutig nachzuweisen. Dies eröffnet nun die Möglichkeit, bei diesen Zerfällen nach subtilen Abweichungen von den theoretischen Vorhersagen zu suchen – und damit nach Indizien für neue Physik.
Wie geht es nun weiter?
Die Physiker hoffen, dass sie durch den Ausbau des Teilchenbeschleunigers LHC und seiner Detektoren noch mehr von diesen extrem seltenen Beauty-Quark-Zerfällen beobachten können. „Mitte des nächsten Jahrzehnts könnte die Aufrüstung von LHCb die Datenerfassungsrate um eine weitere Größenordnung steigern“, erklären sie. Durch dieses Upgrade werden im Beschleuniger mehr Kollisionen in gleicher Zeit stattfinden und mehr Teilchen detektierbar sein. Das erhöht auch die Chance für die Bildung von Beauty-Quarks und ihren Zerfallsprodukten.
„Diese Zerfälle könnten dann zu Präzisionssonden für unentdeckte Teilchen werden“, erklärt Bolek Pietrzyk von der LHCb-Kollaboration. „Das eröffnet uns Physikern neue Möglichkeiten, Lücken im Standardmodell aufzuspüren und zu enthüllen, was sich möglicherweise dahinter verbirgt.“ Ziel des Forschungsteams ist es zudem, die Signifikanz für den Bd-Zerfall bis auf fünf Standardabweichungen zu erhöhen – ab dann gilt ein Resultat als offizielle Entdeckung.
Quelle: CERN/ LHCb Collaboration, 2026; arXiv-Preprint, doi: 10.48550/arXiv.2611.00230
