Robert Klatt
Der Teilchenbeschleuniger LHC am CERN konnte zwei neue exotische Teilchenarten nachweisen. Es handelt sich dabei um das Pentaquark mit einem Strange-Quark und ein Paar aus einem doppelt geladenem Tetraquark.
Genf (Schweiz). Die Physik kannte bisher Quarks, die Grundbausteine der Materie, nur als Zweier- oder Dreierpaare. Im Atomkern von Protonen und Neutronen befinden sich jeweils drei Quarks, der Atomkern von Mesonen enthält ein Quark und ein Antiquark. Mit Teilchenbeschleunigern konnten Forscher kürzlich zudem neue Teilchen entdecken, die mehr als drei Quarks enthalten, darunter Tetraquarks, Pentaquarks und ein Hexaquark.
„Je mehr Analysen wir durchführen, desto mehr Arten exotischer Hadronen finden wir. Wir werden Zeugen einer Periode der Entdeckungen ähnlich wie in den 1950ern, als man auf den Teilchenzoo von Hadronen stieß, die heute die Basis für unser Standardmodell der Teilchenphysik bilden. Jetzt erschaffen wir gerade den Teilchenzoo 2.0“, erklärt Niels Tuning von der LHCb-Kollaboration am Forschungszentrum CERN.
Laut einer Mitteilung der University of Manchester wurde bei einer Protonenkollisionen im Large Hadron Collider (LHC) des CERN, dem stärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, nun das erste Pentaquark mit Strange-Quark entdeckt. Das Teilchen aus fünf Quarks mit einer eine Masse von 4.338 Megaelektronenvolt enthält zwei schwere Charm-Quarks und einen Strange-Quark. Beide Quarksorten existieren in den Bausteinen des Atomkerns nicht. Die Entdeckung des Teilchens hat eine Signifikanz von 15 Sigma und liegt damit deutlich über der Fünf-Sigma-Schwelle, ab der eine Entdeckung als signifikant eingestuft ist.
Laut den Physiker kann die Masse des neuentdeckten Pentaquarks beantworten, wie die fünf Quarks miteinander verbunden sind. Bisher konnte die Physik noch nicht beantworten, ob alle Quarks in solchen Multi-Quarkteilchen gleichstark miteinander verbunden sind oder ob solche Multi-Quarkteilchen als zwei lose miteinander gekoppelten Untereinheiten aus Quarktrios und Paaren bestehen. Eine Teilchenkurven des LHC aus dem Jahr 2019 lieferte jedoch Hinweise darauf, dass eine Struktur aus zwei Untereinheiten wahrscheinlich ist.
Auch das neuentdeckte Pentaquark besteht wahrscheinlich aus zwei Untereinheiten. „Die Masse des Pentaquarks liegt an der Schwelle für die Baryon-Meson-Produktion. Das könnte eine Interpretation als nur lose gebundene Kombination aus einem Baryon aus drei Quarks und einem Meson aus einem Quark-Antiquark-Paar nahelegen“, erklären die Physiker der LHCb-Kollaboration.
Zudem entdeckten die Forscher ein doppelt geladenes Tetraquark und den neutralen Tetraquark-Partner. Dabei handelt es sich um den ersten Nachweis eines Teilchens dieser Art. Die beiden Tetraquarks haben jeweils eine Masse von 2,9 Gigaelektronenvolt. Sie bestehen aus einem Charm-Quark und einem Strange-Antiquark. Eines der Teilchen besitzt überdies ein Up-Quark und ein Down-Antiquark und eines der Teilchen ein Down-Quark und ein Up-Antiquark.
Laut den Physiker sind die Teilchen wahrscheinlich Isospin-Partner, die zwei Zustände eines quantenmechanischen Systems darstellen. Es ist jedoch noch unklar, ob es noch weitere Partner gibt und wie die vier Quarks gekoppelt sind. Der Nachweis der beiden Tetraquarks erreichte eine Signifikanz von 6,5 und 8.
„Wenn wir neue exotische Teilchen finden und ihre Eigenschaften messen, hilft dies Theoretikern dabei, ein einheitliches Modell dieser exotischen Hadronen zu entwickeln. Außerdem hilft es uns auch dabei, konventionelle Teilchen wie Protonen und Neutronen besser zu verstehen“, erklärt der LHCb-Sprecher Chris Parkes.
