Überraschender Fund: Physiker haben erstmals ein Elementarteilchen entdeckt, das aus vier verschiedenen Quarks besteht. Alle bisher bekannten Tetraquarks enthielten immer mindestens zwei Quarks der gleichen Sorte. Wie dieses kurzlebige Partikel genau aufgebaut ist – ob aus vier eng verklumpten Quarks oder aus zwei Paaren – ist noch unklar. Seine Entdeckung wirft aber ein neues Licht auf die grundlegenden Komponenten der Materie.
Quarks sind die fundamentalen Bausteine der Materie, aus ihnen bestehen alle Atomkerne und viele weitere Teilchen. Normalerweise verbinden sich die sechs Quarksorten dabei zu Dreierkombinationen, wie bei den Atombausteinen Proton und Neutron, aber zu instabilen Zweierkombinationen. In den letzten Jahren jedoch haben Physiker in Teilchenbeschleunigern auch kurzlebige Teilchen aus vier Quarks, fünf Quarks und sogar sechs Quarks erzeugt.
Alle bisher bekannten Vierkombinationen von Quarks, sogenannte Tetraquarks, hatten jedoch eines gemeinsam: Sie enthielten immer mindestens zwei Quarks der gleichen Sorte. Dass dies nicht immer so sein muss, haben jetzt Physiker anhand von Daten des DZero-Experiments des Tevatron-Beschleunigers im Fermilab in den USA festgestellt. Denn sie haben nun erstmals ein Tetraquark aus vier verschiedenen Quarksorten entdeckt.
Signal verrät unbekanntes Tetraquark
Als die Physiker im Sommer 2015 erstmals in den Daten das verräterische Signal eines unbekannten Teilchens bei 5.568 Megaelektronenvolt (MeV) feststellten, waren sie überrascht: „Zuerst haben wir gar nicht geglaubt, dass es sich um ein neues Teilchen handeln könnte“, erklärt DZero-Sprecher Dmitri Denisov. „Erst nachdem wir die Ergebnisse mehrfach überprüft haben, begannen wir glauben, dass sich das Signal durch ein Teilchen, nicht durch Hintergrundprozesse oder Messfehler erklären lässt.“
Umso größer war die Überraschung, als klarwurde, dass das X(5568) getaufte Teilchen zudem noch vier verschiedenen Quarksorten in sich vereint. Wie die Forscher ermittelten, enthält das Tetraquark Quarks der Sorten Up, Down, Strange und Bottom. Im Gegensatz dazu war in allen bisher bekannten Tetraquarks immer mindestens eine Quarksorte doppelt vertreten.
Ein Klumpen oder zwei Paare?
„Die nächste Frage wird sein, wie diese vier Quarks in diesem Teilchen zusammengefügt sind“, sagt Ko-Sprecher Paul Grannis. „Sie könnte alle in einem engen Klumpen zusammengeballt sein, sie könnten aber auch zwei Paare von jeweils eng miteinander verbundenen Quarks bilden, die nur lose mit dem anderen Paar verknüpft sind.“
Die Physiker hoffen, diese Frage anhand von Analysen der Zerfallsmuster und des Spins dieses neuen Tetraquarks klären zu können. Ihre Ergebnisse könnten dann wiederum mehr Aufschluss darüber geben, wie diese fundamentalen Bausteine der Materie miteinander wechselwirken. „Die Entdeckung eines weiteren einzigartigen Mitglieds der Tetraquark-Familie wird dazu beitragen, diese Partikel besser zu verstehen“, so Fermilab-Direktor Nigel Lockyer.
(Fermilab, 29.02.2016 – NPO)
