Auf der Suche nach dem Z'-Boson

Vor ziemlich genau einem Jahr ist das Belle II-Experiment angelaufen. Sowohl der Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB als auch der Detektor Belle II waren in mehr­jährigen Umbau­arbeiten gegen­über den Vorgängern verbessert worden, um eine vierzig Mal höhere Rate an Daten zu erzielen. Wissen­schaftler von zwölf Instituten in Deutsch­land sind maßgeb­lich am Bau und Betrieb des Detektors, der Entwick­lung von Auswertungs­algorithmen und der Analyse der Daten beteiligt. Mit Belle II suchen die Forscher nach Spuren neuer Physik, mit der sich zum Beispiel das ungleiche Vorkommen von Materie und Anti­materie oder die mysteriöse dunkle Materie erklären lassen. Eines der bisher unent­deckten Teilchen, nach dem der Belle II-Detektor Ausschau hält, ist das Z‘-Boson – eine Variante des bereits nach­ge­wiesenen Z-Bosons. Letzteres agiert als Aus­tausch­teilchen für die schwache Wechsel­wirkung.

Nach heutigen Erkenntnissen bestehen etwa 25 Prozent des Universums aus dunkler Materie, wohin­gegen die sicht­bare Materie knappe fünf Prozent des Energie­budgets ausmacht. Beide Materie­formen ziehen sich gegen­seitig über die Schwer­kraft an. So bildet die dunkle Materie eine Art Schablone für die Verteilung der sicht­baren Materie, was sich zum Beispiel in der Anordnung von Galaxien im Universum zeigt. Das Z‘-Boson könnte eine interes­sante Rolle beim Zusammen­spiel von dunkler und normaler, sicht­barer Materie spielen, also eine Art Vermittler zwischen den beiden Materie­formen sein. Das Z‘ kann – zumindest theoretisch – aus der Kollision von Elektronen und Positronen im SuperKEKB hervor­gehen und dann in unsicht­bare Dunkle-Materie-Teilchen zerfallen. Somit kann das Z‘-Boson helfen, das Verhalten von Dunkler Materie zu verstehen – und nicht nur das: Mit der Entdeckung des Z‘ ließen sich auch andere Beob­ach­tungen erklären, die nicht mit dem Standard­modell, der grund­legenden Theorie der Teilchen­physik, in Einklang stehen.

Doch wie lässt sich das Z‘-Boson im Belle II-Detektor aufspüren? Nicht auf direktem Weg, so viel ist sicher. Theoretische Modelle und Simulations­rechnungen sagen voraus, dass sich das Z‘ durch Wechsel­wirkungen mit Myonen, schwereren Verwandten der Elektronen, verraten könnte: Wenn Wissen­schaftler nach den Elektron-Positron-Zusammen­stößen eine unge­wöhn­liche hohe Anzahl an Myonen-Paaren mit gegen­sätz­licher Ladung, sowie unerwartete Abweichungen bei Energie- und Impuls­erhaltung entdecken, wäre das ein wichtiges Indiz für das Z‘.

Allerdings lieferten die neuen Belle II-Daten noch keine Anzeichen für das Z'-Boson. Jedoch können die Wissen­schaftler mit den neuen Daten die Masse und Kopplungs­stärken des Z'-Bosons mit einer bisher uner­reich­baren Genauig­keit ein­schränken. Diese ersten Ergebnisse stammen aus der Analyse einer kleinen Menge an Daten, die noch in der Anlauf­phase von SuperKEKB im Jahr 2018 gewonnen wurden. Seinen Voll­betrieb nahm Belle II am 25. März 2019 auf. Seither sammelt das Experiment Daten, während gleich­zeitig die Kollisions­rate von Elektronen und Positronen stetig verbessert wird. Wenn das Experiment perfekt eingestellt ist, wird es ein Viel­faches der Daten liefern, die in die aktuell ver­öffent­lichten Analysen einge­flossen sind.

JGU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  I. Adachi et al. (The Belle II Collaboration): Search for an invisibly decaying Z’ boson at Belle II in e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻(e^±μ^∓) plus missing energy final states, Phys. Rev. Lett. 124, 141801 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.141801
• Experiment Belle II, Forschungszentrum KEK – High Energy Accelerator Research Organization, Japan