Exotische Entdeckungen: Im Teilchenbeschleuniger LHC haben Physiker zwei neue Teilchenarten entdeckt und damit den Teilchenzoo um exotischere Varianten erweitert. Zum einen ist es das erste Pentaquark, das eines der seltenen Strange-Quarks enthält. Der zweite Fund ist ein Paar aus einem doppelt geladenen Tetraquark und seinem neutralen Gegenstück. Beide Arten von Teilchen können helfen, mehr Licht in die Frage der Kopplung dieser Elementarteilchen zu bringen.
Quarks sind grundlegende Bausteine der Materie, die lange Zeit nur als Zweier- oder Dreierpaar bekannt waren: Die Protonen und Neutronen des Atomkerns werden jeweils von drei Quarks gebildet, in kurzlebigen Mesonen ein Quark und ein Antiquark ein Paar. Aber in den letzten Jahren haben Physiker in Teilchenbeschleunigern auch neue Teilchen entdeckt, die aus mehr als drei Quarks bestehen, darunter mehrere Tetraquarks, Pentaquarks und sogar ein Hexaquark.
Partikelzoo 2.0
„Je mehr Analysen wir durchführen, desto mehr Arten exotischer Hadronen werden wir finden“, sagt Niels Tuning von der LHCb-Kollaboration am CERN-Forschungszentrum in der Nähe von Genf. „Wir erleben eine ähnliche Entdeckungszeit wie in den 1950er Jahren, als der Hadronen-Teilchenzoo gefunden wurde, der heute die Grundlage unseres Standardmodells der Teilchenphysik bildet. Wir erschaffen jetzt den Teilchenzoo 2.0.
Die neuen Teilchen werfen ein neues Licht darauf, welche Kombinationen im Reich der Quarks möglich sind und welche Prozesse dabei eine Rolle spielen. 2002 wurde erstmals ein aus vier identischen Quarks bestehendes Tetraquark nachgewiesen, 2021 folgte das erste Double-Charm-Tetraquark bestehend aus zwei schweren Quarks und zwei leichteren Antiquarks.
Erstes Pentaquark mit Strange Quark
Nun melden Physiker weitere Entdeckungen exotischer Teilchen. Sie wurden bei hochenergetischen Protonenkollisionen im Large Hadron Collider (LHC) des CERN, dem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, nachgewiesen. Bei der Analyse der auf dem LHCb-Detektor aufgezeichneten Partikelspuren fanden Forscher der LHCb-Kollaboration die Signaturen von drei neuen Partikeln.
Das Pentaquark könnte aus zwei Untereinheiten, einem Trio von Quarks und einem Quark-Antiquark-Paar bestehen. © Zusammenarbeit zwischen CERN und LHCb
Der erste Fund ist ein Pentaquark. Das Fünf-Quark-Teilchen hat eine Masse von 4.338 Megaelektronenvolt und enthält unter anderem zwei schwerbezaubernde Quarks. Gleichzeitig ist es das erste Pentaquark mit einem seltsamen Quark: Beides sind Quarksorten, die nicht in den Bausteinen des Atomkerns vorkommen. Der Nachweis dieses exotischen Teilchens erreichte eine Signifikanz von 15 Sigma und übertraf damit die offizielle Entdeckungsschwelle von fünf Sigma bei weitem.
Fünfergruppe oder Struktur aus zwei Untereinheiten?
Die Masse dieses Pentaquarks könnte nach Ansicht der Physiker weitere Hinweise darauf geben, wie die fünf Quarks dieser Teilchen zusammenhängen. Bisher war nicht klar, ob in diesen Multiquark-Teilchen alle Quarks gleich stark gekoppelt sind oder ob es sich eher um lose Konglomerate aus Trios und Quarkpaaren handelt. Bereits 2019 lieferte ein subtiler Doppelpeak in den LHC-Partikelkurven die ersten Anzeichen für diese Struktur aus zwei Untereinheiten.
Auch zum neu entdeckten Pentaquark gibt es viel zu sagen: „Die Masse des Pentaquarks steht an der Schwelle zur Baryonen-Meson-Produktion“, erklären die Physiker der LHCb-Kollaboration. „Dies könnte auf eine Interpretation als lose verbundene Kombination eines Drei-Quark-Baryons und eines Quark-Antiquark-Mesons hindeuten.“
Bei dem neuen Tetraquarkpaar ist eines der Teilchen doppelt positiv geladen, das andere neutral. © Zusammenarbeit zwischen CERN und LHCb
Das erste Paar Tetraquarks
Die zweite Teilchenentdeckung umfasst ein doppelt geladenes Tetraquark und seinen neutralen Tetraquark-Partner. Laut Physikern ist es der erste Nachweis für ein solches gepaartes Teilchen. Beide Tetraquarks haben eine Masse von etwa 2,9 Gigaelektronenvolt und bestehen jeweils aus einem charmanten Quark und einem seltsamen Antiquark. Außerdem hat einer der Partner ein Quark up und ein Antiquark down, der zweite ein Quark down und ein Antiquark up.
Laut den Forschern sind die Teilchen wahrscheinlich Isospin-Partner, die zwei Zustände eines quantenmechanischen Systems darstellen, aber es ist unklar, ob es andere Partner dieser Art gibt und wie sich die vier Quarks an diese Teilchen anlagern. Dieses Tetraquarkpaar wurde mit einer Signifikanz von 6,5 und 8 nachgewiesen; auch dies liegt weit über der Schwelle einer amtlichen Entdeckung.
„Neue exotische Teilchen zu finden und ihre Eigenschaften zu messen, wird Theoretikern helfen, ein einheitliches Modell dieser exotischen Hadronen zu entwickeln“, erklärt LHCb-Sprecher Chris Parkes von der Universität Manchester. „Es hilft uns auch, herkömmliche Teilchen wie Protonen und Neutronen besser zu verstehen.“ (Internationale Konferenz für Hochenergiephysik, ICHEP 2022)
Quelle: CERN, Universität Manchester
6. Juli 2022
– Nadja Podbregar