Physikalische Auswertung der Daten des Belle-Experimentes

Belle ist ein Experiment am japanischen Zentrum für Teilchenphysik KEK, das von einer internationalen Kollaboration aus rund 400 Forschern betrieben wird. Es untersucht die Zerfälle kurzlebiger B-Mesonen (Lebensdauer rund 1,6 Pikosekunden), die durch Elektron-Positron-Kollisionen bei einer Energie von 10,58 GeV erzeugt werden. Ziel ist die Überprüfung der Theorie der japanischen Physiker Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa, die die CP-Verletzung (Unterschied zwischen Teilchen und Anti-Teilchen) durch die quantenmechanische Mischung der Flavor-Eigenzustände der Quarks erklärt haben. Durch Auswertung von mehr als 700 Millionen B-Mesonpaarzerfällen konnte Belle tatsächlich den experimentellen Nachweis für diesen sogenannten CKM-Mechanismus liefern, was zur Verleihung des Physik-Nobelpreises 2008 an Kobayashi und Maskawa geführt hat. Das ist aber nicht alles, was wir aus B-Zerfällen lernen können: In der gegenwärtigen Phase des Experimentes und seines Nachfolgers Belle-II geht es um die noch genauere Vermessung der CKM-Matrix. Abweichungen von der CKM-Hypothese würden nämlich Hinweise auf Physik jenseits des Standard-Modells der Teilchenphysik liefern. Existieren neue, schwere Teilchen im TeV-Bereich, müssen sich auch Effekte in B- Zerfällen zeigen. Dieses FWF-Projekt ist im Rahmen dieses Programms zu sehen: Konkret schlagen wir die Bestimmung des CKM-Matrixelementes |Vcb| mit dem Zerfall B ` Dl und die Messung der Zerfälle Bs ` J/ und Bs ` J/ KS vor. Dazu beantragen wir die Mittel für zwei DoktorandInnen für einen Zeitraum von 36 Monaten. Diese Zeit ist ausreichend, um die beiden erwähnten Physikanalysen auf ein Niveau zu bringen, das die Publikation in einem Fachjournal gestattet. Zusätzlich beantragen wir Reisekosten, um den DoktorandInnen einmal jährlich die Teilnahme an einem Belle-Kollaborationstreffen in KEK zu ermöglichen.

Während im Urknall gleiche Mengen von Materie und Antimaterie entstanden, scheint das Universum heute ausschließlich aus Materie zu bestehen. In der Tat ist am Beginn des Universums ein klein wenig mehr Materie als Antimaterie entstanden, die heute den gesamten Materieinhalt unserer Welt ausmacht. Damit dies auf der Ebene der Teilchen passieren kann, müssen sich Teilchen etwas anders als ihre Spiegelpartner, die Anti-Teilchen, verhalten. Die Teilchenphysiker nennen das CP-Verletzung. Die einzig heute bekannte Quelle von CP-Verletzung in der Teilchenphysik ist die Kobayashi-Maskawa Phase, die bei Übergängen von Quarks, den fundamentalen Bausteinen der Materie im heutigen Standardmodell der Teilchenphysik, in Erscheinung tritt. Dieser so genannte Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Mechanismus ist genau der Forschungsschwerpunkt des Belle-Experimentes am japanischen Labor für Teilchenphysik KEK. In diesem Experiment untersuchen etwa 300 Forscher aus der ganzen Welt die Zerfälle von massiven und sehr kurzlebigen Teilchen, die in Elektron-Positron-Kollisionen entstehen, um CKM entweder zu beweisen oder zu widerlegen. Die im Rahmen dieses FWF-Projektes durchgeführte Forschung trägt zur Analyse der Belle-Daten im Rahmen dieser internationalen Kollaboration bei. Während unsere Messungen den CKM-Mechanismus genauer als je zuvor überprüfen, bestätigen sie gleichzeitig auch die Beschreibung der fundamentalen Physik durch das Standardmodell.