Nur eines unter zehn Milliarden Teilchen zerfällt auf eine ganz bestimmte Weise. Diesen Vorgang versuchen Physiker seit mehr als 40 Jahren nachzuweisen. Jetzt ist ihnen am europäischen Forschungszentrum CERN ein wichtiger Schritt gelungen. Das LHCb-Experiment hat neue Hinweise auf den extrem seltenen Zerfall eines sogenannten B⁰-Mesons gefunden.
Die Ergebnisse stellte das internationale Forschungsteam am 3. November 2026 am CERN vor. Es ist das erste Mal, dass ein einzelnes Experiment einen statistisch signifikanten Hinweis auf diesen Zerfall liefern konnte. Bisherige Anzeichen waren nicht eindeutig genug.
„Physiker sind diesem Zerfall schon seit mehr als vierzig Jahren auf der Spur“, erklärt Marco Santimaria, einer der Leiter des 19-köpfigen Analyseteams, in der offiziellen CERN-Mitteilung. Jetzt haben sie eine Spur, die statistisch belastbar ist. Ein endgültiger Nachweis steht allerdings noch aus.
Inhaltsverzeichnis
Warum ist dieser Teilchenzerfall so selten?
Im Mittelpunkt steht das B⁰-Meson. Es gehört zu einer Gruppe kurzlebiger Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen. Eines davon ist ein sogenanntes Beauty-Quark beziehungsweise dessen Antiteilchen. Solche Teilchen entstehen unter anderem bei den hochenergetischen Protonenkollisionen im Large Hadron Collider (LHC). Sie existieren nur für einen winzigen Bruchteil einer Sekunde und zerfallen anschließend in andere Teilchen.
| Was ist ein B-Meson? |
| B-Mesonen sind kurzlebige Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen. Eines davon ist ein Beauty-Quark oder dessen Antiteilchen. Sie entstehen unter anderem bei Teilchenkollisionen am CERN.
Beim jetzt untersuchten Zerfall entsteht aus einem neutralen B-Meson ein Myon und ein Antimyon. Nach dem Standardmodell geschieht das nur ungefähr einmal unter zehn Milliarden Zerfällen. Myonen ähneln Elektronen, sind aber rund 207-mal schwerer. |
Beim jetzt untersuchten Zerfall entsteht ein Paar aus zwei Myonen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung. Myonen ähneln Elektronen, besitzen aber ungefähr die 207-fache Masse. Damit dieser Zerfall stattfinden kann, müssen die beteiligten Quarks über einen besonderen quantenphysikalischen Prozess ineinander übergehen beziehungsweise sich gegenseitig vernichten. Das geschieht über die schwache Wechselwirkung und ist nach dem Standardmodell der Teilchenphysik äußerst unwahrscheinlich.
Die theoretisch berechnete Wahrscheinlichkeit liegt bei ungefähr einem Zerfall unter zehn Milliarden B⁰-Mesonen. Die Schwierigkeit besteht deshalb nicht darin, diesen Vorgang theoretisch vorherzusagen. Die Physiker müssen ihn unter Milliarden anderer Teilchenprozesse experimentell nachweisen.
Wie findet das CERN ein Signal unter Milliarden Ereignissen?
Der LHCb-Detektor wurde speziell dafür entwickelt, kurzlebige Teilchen und ihre Zerfallsprodukte zu untersuchen. Er beobachtet nicht das ursprüngliche B⁰-Meson selbst, sondern die Teilchen, die beim Zerfall entstehen. Im gesuchten Fall sind das zwei Myonen. Aus ihren gemessenen Spuren und Impulsen lässt sich rekonstruieren, welche Masse das ursprüngliche Teilchen gehabt haben muss.
Finden sich bei der Masse des B⁰-Mesons mehr passende Ereignisse, als durch bekannte Hintergrundprozesse zu erwarten wären, kann das auf den gesuchten Zerfall hinweisen. Allerdings entstehen auch bei zahlreichen anderen Prozessen Myonen. Die Forschenden müssen deshalb sehr genau unterscheiden, welche Spuren tatsächlich zusammengehören.
Eine wichtige Voraussetzung für die neue Messung war die Modernisierung des LHCb-Experiments im Jahr 2024. Dabei kamen mehrere Verbesserungen zusammen:
- Fünfmal höhere Datenerfassungsrate: Seit dem Upgrade kann LHCb Daten mit einer fünfmal höheren Rate erfassen als in den Jahren 2010 bis 2018.
- Bessere Teilchenerkennung: Modernisierte Detektorsysteme helfen, Myonen von anderen Teilchen zu unterscheiden.
- Maschinelles Lernen: Algorithmen unterstützen die Auswahl geeigneter Ereignisse und die Unterdrückung störender Hintergrundsignale.
Wie schwierig diese Arbeit ist, beschreibt Santimaria in der CERN-Mitteilung mit einem weiteren Satz: „Es erfordert äußerste Präzision, die Myonen aus dem überwältigenden Hintergrund herauszufiltern.“
Dass solche Detektoren inzwischen bemerkenswerte Messungen ermöglichen, zeigte sich bereits im März 2026. Damals gelang am CERN der Nachweis eines seltenen Doppel-Charm-Baryons. Auch dabei spielte die präzise Rekonstruktion kurzlebiger Teilchen eine entscheidende Rolle.
Warum reichen 3,2 Sigma noch nicht für einen endgültigen Nachweis?
Für die aktuelle Untersuchung wertete das Forschungsteam zunächst Messdaten aus den Jahren 2024 und 2025 aus. Sie lieferten Hinweise auf den gesuchten Zerfall mit einer statistischen Signifikanz von 3,0 Sigma. Anschließend kombinierten die Physiker diese Ergebnisse mit älteren Daten aus den Jahren 2011 bis 2018. Dadurch stieg die Signifikanz auf 3,2 Sigma.
In der Teilchenphysik gelten drei Sigma üblicherweise als Schwelle für einen wissenschaftlich relevanten Hinweis. Für eine bestätigte Beobachtung verlangen Forschende dagegen fünf Sigma. Die Sigma-Werte geben an, wie stark das gemessene Ergebnis gegen die Annahme spricht, dass lediglich bekannte Hintergrundprozesse das Signal erzeugt haben. Sie beschreiben nicht die Wahrscheinlichkeit, dass eine Entdeckung richtig oder falsch ist.
| Wie sicher ist die Entdeckung? | ||
| 3 Sigma Hinweis | 3,2 Sigma CERN-Ergebnis |
5 Sigma Beobachtung |
| In der Teilchenphysik gelten drei Sigma üblicherweise als Schwelle für einen statistisch relevanten Hinweis. Erst ab fünf Sigma spricht man normalerweise von einer bestätigten Beobachtung. Das aktuelle LHCb-Ergebnis liegt bei 3,2 Sigma. Es ist damit ein wichtiger Hinweis, aber noch kein endgültiger Nachweis. | ||
Dass die Forschenden vorsichtig bleiben, hat einen guten Grund. Schon 2015 hatten die Experimente LHCb und CMS gemeinsam Hinweise auf denselben Zerfall gefunden. Spätere Untersuchungen konnten diese jedoch nicht bestätigen. Der neue Befund ist deshalb besonders wichtig: Erstmals erreicht LHCb die erforderliche statistische Signifikanz für einen Hinweis mit den Daten eines einzelnen Experiments. Die Forschenden wollen nun weitere Messungen sammeln, um die Signifikanz auf mindestens fünf Sigma zu erhöhen.
Hat das CERN damit neue Physik entdeckt?
Nein. Die neue Messung stimmt mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik überein. Trotzdem ist der Zerfall für die Grundlagenforschung interessant. Das Standardmodell beschreibt die bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen sehr präzise. Einige grundlegende Fragen sind allerdings weiterhin offen.
Besonders seltene Teilchenzerfälle bieten eine Möglichkeit, nach bisher unbekannten Einflüssen zu suchen. Der Grund: Auch sehr schwere Teilchen, die am LHC nicht direkt erzeugt werden können, könnten über quantenphysikalische Prozesse die Wahrscheinlichkeit bestimmter Zerfälle verändern. Würden die Forschenden eine deutliche Abweichung von den theoretischen Vorhersagen messen, könnte das auf bislang unbekannte Physik hinweisen.
Solche Anomalien wurden beim LHCb-Experiment bereits früher diskutiert. ingenieur.de berichtete 2021 über Hinweise auf eine mögliche fünfte physikalische Kraft. Dabei ging es allerdings um andere Zerfallsprozesse. Auch das magnetische Verhalten von Myonen galt lange als möglicher Hinweis auf neue Physik. Inzwischen haben verbesserte Berechnungen die damals diskutierte Abweichung weitgehend beseitigt. Mehr dazu lesen Sie im Beitrag „Sie suchten neue Physik – und fanden nur einen Fehler“.
Beim jetzt untersuchten B⁰-Zerfall zeigt sich bislang keine entsprechende Auffälligkeit. Die Messergebnisse passen zu den bisherigen theoretischen Berechnungen. Dadurch lassen sich bestimmte Modelle einschränken, die abweichende Zerfallswahrscheinlichkeiten vorhersagen.
Was haben die Physiker noch gemessen?
Neben dem extrem seltenen B⁰-Zerfall untersuchten die Forschenden einen verwandten Prozess beim B⁰s-Meson. Dieses Teilchen enthält ein Strange-Quark beziehungsweise dessen Antiteilchen. Auch das B⁰s-Meson kann in zwei entgegengesetzt geladene Myonen zerfallen. Nach dem Standardmodell geschieht dies ungefähr 30-mal häufiger als beim B⁰-Meson.
Der Zerfall wurde bereits 2015 nachgewiesen. Mit den neuen Daten konnte das LHCb-Team seine Eigenschaften nun genauer bestimmen als jemals zuvor. Dazu gehören die Zerfallswahrscheinlichkeit und die effektive Lebensdauer. Auch diese Messungen stimmen mit dem Standardmodell überein.
Wie geht die Suche am CERN weiter?
Für einen endgültigen Nachweis des B⁰-Zerfalls benötigt das Forschungsteam weitere Daten. Der modernisierte LHCb-Detektor soll dabei helfen, mehr der seltenen Ereignisse zu erfassen. Langfristig sind zusätzliche Verbesserungen geplant. Der Hochluminositäts-LHC soll nach der derzeitigen CERN-Planung 2030 den Betrieb aufnehmen. Mitte der 2030er-Jahre ist außerdem eine weitere Modernisierung des LHCb-Experiments vorgesehen. Dadurch könnte die Datenerfassungsrate noch einmal erheblich steigen.
Mit mehr Messungen ließe sich nicht nur der gesuchte Zerfall endgültig bestätigen. Die Physiker könnten auch genauer bestimmen, wie häufig er stattfindet – und damit die Vorhersagen des Standardmodells noch präziser überprüfen.
Quellen
- CERN: LHCb finds evidence of one-in-ten-billion particle decay – Originalmitteilung vom 3. November 2026. Grundlage für Messwerte, Zitate, Detektor-Upgrade und Forschungsstand.
- LHCb Collaboration: Evidence for the decay B⁰ → μ⁺μ⁻ – Fachliche Erläuterung vom 3. November 2026 mit Details zur Ereignisrekonstruktion und zum Vergleich der Zerfallsprozesse.
- LHCb Collaboration: Wissenschaftliche Originalarbeit, arXiv:2611.00230 – Eingereicht am 30. Oktober 2026. Wissenschaftliche Grundlage der Ergebnisse, zum Recherchezeitpunkt als Preprint verfügbar.
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