Erstmals in der Schweiz: EPFL steigt in die Kaon-Forschung ein

In Zusammenarbeit mit dem Centre de Physique des Particules in Marseille entwickelten Forscherinnen und Forscher der EPFL eine neue Methode zur Identifizierung von Neutrinos mit Hilfe von Daten aus dem NA62-Experiment am CERN, das kürzlich den seltensten jemals registrierten Teilchenzerfall beobachtet hat.

Die Teilchenphysik erforscht die kleinsten Bausteine der Natur, Teilchen, die so winzig sind, dass jede Sekunde Billionen von ihnen unbemerkt durch uns hindurchfliegen. Darunter befinden sich auch die Kaonen, Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen. Kaonen sind faszinierend, weil sie einen "Zerfall" durchlaufen. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem sich instabile Teilchen unter Energieverlust in stabilere Teilchen umwandeln. Durch die Untersuchung dieser Zerfälle ergründen Physikerinnen und Physiker die Grundkräfte und testen das Standardmodell, den Rahmen, der erklärt, wie Teilchen und Kräfte miteinander interagieren.

Kaonen sind besonders wichtig in der "Flavor-Physik", einem Gebiet, das untersucht, wie verschiedene Arten oder "Flavors" von Quarks miteinander interagieren und sich umwandeln. Seltene Zerfälle, wie die Umwandlung eines Kaons in ein Pion und ein Neutrino-Antineutrino-Paar, offenbaren komplexe Details dieser Interaktionen. Dieser Zerfall, der in der Aromaphysik als "goldener Kanal" bezeichnet wird, tritt nur einmal in zehn Milliarden Kaon-Zerfällen auf. Dennoch kann er Schlüsselinformationen über die schwache Kraft und die grundlegenden Symmetrien des Universums offenbaren.

Beobachtung eines seltenen Kaon-Zerfalls als Meilenstein

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

Diese Beobachtung ist das Ergebnis der Analyse einer massiven Menge an experimentellen Daten aus den Jahren 2016 bis 2022 und einer hochmodernen Technologie zur Isolierung des Zerfalls. Und obwohl das Ergebnis dem Standardmodell der Physik entspricht, ist die Zerfallsrate um 50% höher als erwartet, was auf potenzielle Entdeckungen jenseits der aktuellen Physik hindeutet.

Radoslav Marchevski, ab 2023 Professor am Laboratorium für Hochenergiephysik der EPFL, und sein Team haben einen bedeutenden Beitrag zur Datenanalyse geleistet, die zur Beobachtung führte. "In den letzten zehn Jahren haben wir einen erheblichen Beitrag geleistet, indem wir die Fähigkeit von NA62, diesen Prozess zu messen, nachgewiesen und unsere Bemühungen zur Verbesserung der Messung fortgesetzt haben, bis wir 2021 Konfigurationsänderungen vorschlugen, die die Empfindlichkeit verbesserten", sagt er.

Eine neue Technik zur Markierung von Neutrinos

Der Beitrag der EPFL beschränkte sich jedoch nicht darauf. Um die Nachweisbarkeit des NA62-Experiments zu verbessern, arbeitete Radoslav Marchevskis Team mit dem Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM) zusammen, um eine revolutionäre Technik der "Neutrino-Markierung" zu entwickeln, eine Methode, die verwendet wird, um Neutrinos zu identifizieren und sie mit den Teilchenereignissen in Verbindung zu bringen, die sie erzeugt haben.

Was sind Neutrinos? Neutrinos sind einige der mysteriösesten Teilchen, die so schwach interagieren, dass Milliarden von ihnen die Erde durchqueren, ohne eine Spur zu hinterlassen. Es gibt drei "Geschmacksrichtungen" - Elektron, Myon und Tau -, die dem Typ des geladenen Teilchens entsprechen, mit dem sie bei der Wechselwirkung verbunden sind. Die Identifizierung der Geschmacksrichtung eines Neutrinos ist entscheidend für die Untersuchung von Phänomenen wie Neutrino-Oszillationen, bei denen Neutrinos ihre Geschmacksrichtung ändern, während sie sich bewegen.

Die neue Methode, die von der EPFL und dem CPPM entwickelt wurde, nutzt Kaon-Zerfälle, um den Geschmack der Neutrinos fallweise zu markieren, was bisher noch nie gemacht wurde. Dies ist eine Innovation, da sie jedes Neutrino direkt mit seinem Mutterteilchen verbindet, was eine genaue Messung der Eigenschaften von Neutrinos ermöglicht.

"Diese neue Technik ermöglicht es uns, die Neutrino-Aromen während ihrer Produktion zu markieren und sie genau den Wechselwirkungen in der aktiven Zone unserer Detektoren zuzuordnen, was noch nie zuvor gemacht wurde", erklärt Radoslav Marchevski. Dies eröffnet einzigartige Möglichkeiten für zukünftige Experimente in der Neutrinophysik, indem es eine bessere Energieauflösung und eine Markierung des Neutrinogeschmacks liefert, wodurch die Eigenschaften von Neutrinos genau untersucht werden können."

Beide Entdeckungen sind für die Physik von Bedeutung: Die Beobachtung des seltenen Kaon-Zerfalls deutet auf eine gewisse Spannung mit dem Standardmodell und auf die Möglichkeit einer "neuen Physik" hin - Phänomene, die über unser derzeitiges Verständnis der subatomaren Welt hinausgehen. Gleichzeitig könnte die Neutrino-Markierungstechnik zukünftige Experimente verändern, indem sie Werkzeuge zur Erforschung der Wechselwirkungen von Neutrinos und ihrer fundamentalen Rolle im Kosmos bereitstellt.

Radoslav Marchevski fügt hinzu: "Da die EPFL nun Teil von NA62 ist, haben wir die Kaon-Physik in die Schweiz gebracht, indem wir wichtige Beiträge geleistet haben, darunter eine neue Technik zur Markierung von Neutrinos, und indem wir die wachsende Sichtbarkeit der EPFL in der internationalen Teilchenphysik hervorgehoben haben."

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IFA (Institut de Physique Atomique)

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CERN (Europäische Organisation für Kernforschung)

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ERC (Europäischer Forschungsrat)

EU Horizon 2020

Charles University

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Die Royal Society

ANR (Agence Nationale de la Recherche - Nationale Forschungsagentur)

ANR-19-CE31-0009

Referenzen

Die NA62 Collaboration. Beobachtung des K+-?+-Abfalls und Messung seiner Verzweigungsrate. Journal of High Energy Physics 27. Februar 2025. DOI: 10.1007/JHEP02(2025)191

Die NA62 Collaboration. Erster Nachweis eines getaggten Neutrinos im NA62-Experiment. Physics Letters B 863:139345. DOI: 10.1016/j.physletb.2025.139345