Die EPFL beteiligt sich erstmals in der Schweiz an der Kaon-Forschung

Die Teilchenphysik erforscht die kleinsten Bausteine der Natur, Teilchen, die so winzig sind, dass Billionen von ihnen jede Sekunde unbemerkt an uns vorbeiziehen. Zu ihnen gehören die Kaonen, Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen. Kaonen sind faszinierend, weil sie einem «Zerfall» unterliegen – einem Prozess, bei dem sich instabile Teilchen in stabilere umwandeln und dabei Energie abstrahlen. Durch die Untersuchung dieser Zerfälle können Physiker die fundamentalen Kräfte erforschen und das Standardmodell testen, das erklärt, wie Teilchen und Kräfte miteinander wechselwirken.

Kaonen sind besonders wichtig für die «Flavor-Physik», ein Gebiet, das untersucht, wie verschiedene Arten oder «Flavors» von Quarks miteinander wechselwirken und sich umwandeln. Seltene Zerfälle, wie die Umwandlung eines Kaons in ein Pion und ein Neutrino-Antineutrino-Paar, geben Aufschluss über die komplizierten Details dieser Wechselwirkungen. Dieser Zerfall, der als «goldener Kanal» der Flavorphysik bezeichnet wird, findet nur einmal in zehn Milliarden Kaon-Zerfällen statt. Nichtsdestotrotz kann er wichtige Informationen über die schwache Kraft und die grundlegenden Symmetrien des Universums liefern.

Meilenstein: Beobachtung eines seltenen Kaon-Zerfalls

Seit 2023 hat die EPFL ihre physikalische Forschungskompetenz auf die Forschung mit Kaonen ausgeweitet und ist die erste Schweizer Institution, die am NA62-Experiment des CERN beteiligt ist. Im September 2024 meldete NA62 die erste Beobachtung des seltenen Kaon-Zerfalls, der sich in ein Pion und ein Neutrino-Antineutrino-Paar verwandelt.

Die Beobachtung war das Ergebnis der Analyse einer riesigen Menge an experimentellen Daten aus den Jahren 2016 bis 2022 und einer fortschrittlichen Technologie zur Isolierung des Zerfalls. Und obwohl das Ergebnis mit dem Standardmodell der Physik übereinstimmt, ist die Zerfallsrate 50 % höher als vorhergesagt, was auf mögliche Entdeckungen jenseits der aktuellen Physik hindeutet.

Radoslav Marchevski, seit 2023 Professor am Labor für Hochenergiephysik der EPFL, und sein Team haben massgeblich zur Datenanalyse beigetragen, die zu dieser Beobachtung führte: «In den letzten zehn Jahren haben wir einen wesentlichen Beitrag geleistet, angefangen beim Nachweis der Fähigkeit von NA62, diesen Prozess zu messen, über die Fortsetzung der Bemühungen zur Verbesserung der Messung bis hin zum Vorschlag von Änderungen am Aufbau im Jahr 2021, die die Empfindlichkeit verbessern», sagt er.

Grafische Darstellung der beobachteten Wechselwirkung zwischen einem markierten Neutrino und einem K^+ -> mu^+ \u_mu-Zerfall. Das markierte Neutrino interagiert in NA62s mit flüssigem Krypton (LKr) gefülltem elektromagnetischen Kalorimeter und erzeugt einen Hadronenregen, der Cluster von Energiedepots im LKr produziert und in den Hadronenkalorimetern (MUV1 + MUV2) wächst. Das zweite Myon, das bei der Wechselwirkung mit dem Neutrino entsteht, wird ebenfalls vom Myon-Vetosystem (MUV3) nachgewiesen, das mit der Richtung des Neutrinos kompatibel ist. Das geladene Hodoskop (CHOD), das die Position der geladenen Teilchen erfasst, sieht nur ein einziges Myon, da das Neutrino dort kein Signal hinterlässt. Bildrechte: NA62-Kollaboration

Eine neue Technik zur Neutrinomarkierung

Doch der Beitrag der EPFL war noch nicht alles. Um die Nachweiskapazitäten des NA62-Experiments zu verbessern, arbeitete das Team von Marchevski mit dem Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM) zusammen, um eine bahnbrechende «Neutrino-Tagging-Technik» zu entwickeln, eine Methode, mit der Neutrinos identifiziert und den Teilchenereignissen zugeordnet werden können, die sie erzeugt haben.

Was sind Neutrinos? Sie gehören zu den geheimnisvollsten Teilchen, die so schwach wechselwirken, dass Milliarden von ihnen die Erde durchqueren, ohne eine Spur zu hinterlassen. Es gibt sie in drei «Geschmacksrichtungen» – Elektron, Myon und Tau – entsprechend der Art der geladenen Teilchen, mit denen sie während der Wechselwirkung verbunden sind. Die Identifizierung des Flavors eines Neutrinos ist entscheidend für die Untersuchung von Phänomenen wie Neutrino-Oszillationen, bei denen Neutrinos auf ihrer Reise den Flavor wechseln.

Die neue, von der EPFL und dem CPPM entwickelte Methode verwendet Kaon-Zerfälle, um den Neutrino-Flavor für jedes einzelne Ereignis zu bestimmen, was bisher noch nie gemacht wurde. Dies ist bahnbrechend, da es jedes Neutrino direkt mit seinem Elternteilchen verknüpft und so präzise Messungen der Neutrino-Eigenschaften ermöglicht.

«Diese neuartige Technik ermöglicht es uns, die Neutrino-Flavors zu markieren, sobald sie erzeugt werden, und sie präzise mit den Wechselwirkungen im aktiven Bereich unserer Detektoren zu verknüpfen, was bisher noch nie gemacht wurde», erklärt Marchevski. «Sie eröffnet einzigartige Möglichkeiten für künftige Neutrino-Physikexperimente, da sie eine viel bessere Energieauflösung und eine Markierung der Neutrino-Flavors ermöglicht, was Präzisionsstudien der Neutrino-Eigenschaften erlauben wird.»

Beide Entdeckungen sind für die Physik von grosser Bedeutung: Die Beobachtung des seltenen Kaon-Zerfalls deutet auf gewisse Spannungen mit dem Standardmodell und auf die Möglichkeit einer <neuen Physik> hin – Phänomene, die über unser derzeitiges Verständnis der subatomaren Welt hinausgehen. Gleichzeitig könnte die Neutrinomarkierungstechnik künftige Experimente verändern, indem sie Instrumente zur Untersuchung der Neutrinowechselwirkungen und ihrer grundlegenden Rolle im Kosmos bietet.

Marchevski fügt hinzu: «Mit der EPFL, die jetzt Teil von NA62 ist, haben wir die Kaon-Physik in die Schweiz gebracht, wichtige Beiträge geleistet, darunter eine neuartige Neutrino-Tagging-Technik, und die wachsende Sichtbarkeit der EPFL in der internationalen Teilchenphysik unter Beweis gestellt.»