Messung von - Vcb- mit exklusiven B-Zerfällen bei Belle II

Das Standard-Modell der Teilchenphysik (SM) enthält die bekannten, fundamentalen Teilchen die Quarks und die Leptonen und beschreibt die Kräfte, die zwischen ihnen wirken. Es besteht in seinen Grundzügen seit den 1960er Jahren und konnte bisher in allen irdischen Experimenten mit hoher Genauigkeit bestätigt werden. Allerdings wissen wir gleichzeitig aus der Astronomie, dass die Teilchen des SM nur rund 5% der Energieinhalts des Universums ausmachen. Die Suche nach Physik jenseits des SM ist daher die wichtigste Aufgabe der modernen Teilchenphysik. Ein vielversprechender Ansatz in diese Richtung sind Präzisionsmessungen, die nach kleinsten Abweichungen vom SM suchen und diese dann im Hinblick auf neue Physik interpretieren. Dazu muss allerdings auch die SM-Vorhersage mit hoher Genauigkeit bekannt sein. Ein Problem ist daher der Betrag des Cabibbo-Kobayabashi-Maskawa Matrixelementes Vcb, der derzeit mit zwei verschiedenen Methoden auf 1-2% Genauigkeit bestimmt werden kann. Leider liefern diese Methoden, die man in der Literatur als exklusiv und inklusiv bezeichnet, Werte von Vcb, die um das Dreifache des Fehlers auseinander liegen. Im Rahmen dieses Projektes verfolgen wir neue Ansätze, um die exklusive Bestimmung von Vcb zu überprüfen und zu verbessern. Dazu verwenden wir die Daten des Belle II- Experimentes, das am japanischen Teilchenforschungszentrum KEK in Tsukuba steht und seit dem Jahr 2019 Daten sammelt. Unsere Gruppe in Wien hat wesentlich zum Aufbau dieses Experimentes beigetragen und die Verantwortung für den Entwurf und Bau des Siliziumstreifen-Detektors SVD getragen.

Das Hauptthema der Teilchenphysik heute ist die Suche nach neuer Physik jenseits des Standard-Modells. Dazu können entweder Teilchenkollisionen bei den höchsten Energien, oder seltene Prozesse bzw. kleine Abweichungen von der Standard-Theorie bei niederen Energien untersucht werden. Das Belle II-Experiment verfolgt den zweiten Ansatz. Ein Problem ist allerdings, wenn Parameter des Standard-Modells nicht genau bekannt sind, da dann auch Abweichung nicht gemessen werden können. Ein solches Problem betrifft den Parameter Vcb für den unterschiedliche Messungen unterschiedliche Werte ergeben haben. In diesem Projekt wurde Vcb einmal mit dem Zerfall B --> D*lnu und den Belle II Daten gemessen und tatsächlich die experimentelle Diskrepanz reduziert. Eine zweite Messung mit dem Zerfall B --> Dlnu ist noch in interner Begutachtung und wird ebenfalls helfen, die Situation weiter zu klären. Das Belle II-Experiment befindet am japanischen Teilchenforschungszentrum KEK und wird von einer Kollaboration von rund 1000 Wissenschaftern betrieben. Es zeichnet die Kollisionen von Elektronen und Positronen bei einer Energie von 10.58 GeV auf ( die für Verhältnisse der Teilchenphysik relativ gering ist ) und untersucht die Zerfälle der B- und D-Mesonen sowie der tau-Leptonen, die dabei entstehen. Durch Präzisionsmessungen dieser Zerfälle, hofft man Abweichungen vom Standard-Modell der Teilchenphysik und damit Rückschlüsse auf die Physik bei höheren Energieskalen zu finden. Bisher wurden rund 500 Millionen Kollisionen mit B-Mesonen aufgezeichnet. Bis zum Ende des Programms in der Mitte der 2030er Jahre soll sich diese Zahl um rund 2 Größenordnungen erhöhen.