Teilchenbeschleuniger weist erstmals Teilchen aus vier Quarks der gleichen Sorte nach Physiker entdecken neues Tetraquark - scinexx | Das Wissensmagazin
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Physiker entdecken neues Tetraquark

Teilchenbeschleuniger weist erstmals Teilchen aus vier Quarks der gleichen Sorte nach

X(6900)
Ein exotisches Teilchen aus vier Quarks der gleichen Sorte: Das neuentdeckte Tetraquark besteht aus zwei Charm-Quarks und zwei Anti-Charm-Quarks. © CERN

Zuwachs im Teilchenzoo: Physiker am Forschungszentrum CERN haben ein neues, exotisches Elementarteilchen entdeckt. Es besteht aus vier Quarks – zwei Charm-Quarks und zwei Anti-Charm-Quarks. Damit ist dies das erste Tetraquark, das aus Quarks nur einer Sorte besteht. Diese äußerst ungewöhnliche Kombination könnte neue Einblicke in die Wirkungsweise der starken Kernkraft bieten, wie die Forscher erklären.

Quarks
Im Standardmodell der Teilchenphysik gibt es sechs verschiedene Quarksorten und ihre jeweiligen Antiteilchen. © MissMJ/ gemeinfrei

Quarks sind fundamentale Bausteine der Materie. Im Atomkern sind die Protonen und Neutronen aus jeweils drei Quarks zusammengesetzt, in den kurzlebigen Mesonen bilden jeweils ein Quark und ein Antiquark ein Paar. Zusammengehalten werden diese Quarks jeweils von der starken Kernkraft, einer der vier Grundkräfte der Physik. Doch in den letzten Jahren haben Experimente in Teilchenbeschleunigern gezeigt, dass es auch Teilchen mit mehr als zwei Quarks gibt – darunter Tetraquarks, Pentaquarks und sogar Hexaquarks.

Eines allerdings haben all diese exotischen Quark-Verbünde gemeinsam: Sie bestehen immer aus mindestens zwei verschiedenen Sorten von Quarks.

Erstes Teilchen aus vier Charm-Quarks

Doch nun haben Physiker am CERN erstmals ein Tetraquark entdeckt, das aus vier Quarks einer Sorte besteht – und noch dazu aus den besonders seltenen und schweren Charm-Quarks. „Teilchen aus vier Quarks sind ohnehin schon exotisch, aber das nun entdeckte ist das erste, das aus vier schweren Quarks des gleichen Typs besteht“, erklärt Giovanni Passaleva, Sprecher der LHCb-Kollaboration. Das neue Tetraquark enthält zwei Charm-Quarks und zwei Anti-Charm-Quarks.

Aufgespürt haben die Physiker das neue Teilchen in den Kollisionsdaten der ersten beiden Laufzeiten des Large Hadron Collider (LHC) – des weltstärksten Teilchenbeschleunigers. In ihm prallen Protonen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und einer Energie von 13 Teraelektronenvolt aufeinander. Dabei entstehen kurzlebige, neue Teilchenarten, die sich meist nur durch einen Überschuss an Zerfallsprodukten bestimmter Massen verraten.

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Überschuss exotischer Zerfallsprodukte

Einen solchen Überschuss haben nun Passaleva und sein Team in den Daten des LHCb-Detektors am LHC entdeckt. Er zeigt sich in einem „Buckel“ in der Zahl der registrierten J/ψ-Mesonen – Teilchen, die aus jeweils einem Charm und einem Anti-Charm-Quark bestehen. Die Signifikanz dieser Abweichung von der erwarteten Kurve liegt bei mehr als fünf Sigma, wie die Forscher berichten. Ab diesem Wert ist ein Zufall so unwahrscheinlich, dass dies in der Teilchenphysik offiziell als Entdeckung gilt.

Doch was erzeugte diesen Mesonen-Überschuss? Wie die Physiker erklären, spricht die Masse der Zerfallsprodukte dafür, dass bei den Kollisionen kurzzeitig ein Tetraquark aus zwei Charm-Quarks und zwei Anti-Charm-Quarks gebildet wurde. Die Existenz eines solchen Teilchens aus gleich vier dieser schweren Quarks wurde zuvor in Modellen vorhergesagt, aber nie nachgewiesen. „Dieses Tetraquark repräsentiert die erste Beobachtung dieser hochgradig ungewöhnlichen Kombination“, sagen die Physiker.

Wie allerdings die vier Quarks in diesem Tetraquark gebunden sind – ob alle gleich stark oder in zwei schwächer miteinander gekoppelten Paaren – ist bislang noch offen.

Einblick in die starke Kernkraft

Das neue, X(6900) getaufte Tetraquark bedeutet aber nicht nur Zuwachs für die exotische Familie der Vier-Quark-Teilchen. Es könnte wegen seiner besonderen Zusammensetzung auch wertvolle Einblicke in die Wirkungsweise der starken Kernkraft eröffnen. „Wenn wir die Natur dieses neuen Teilchens enträtseln, dann könnte uns dies helfen, viele theoretische Modelle einzugrenzen“, erklären Passaleva und seine Kollegen.

Der Grund: Weil in diesem Tetraquark alle Quarks gleich schwer sind, lassen sich ihre Wechselwirkungen untereinander und mit den Gluonen, den Trägerteilchen der starken Kernkraft, besser auseinanderhalten. „Diese exotischen Teilchen sind extreme und doch einfache Vertreter hadronischer Teilchen“, sagt Chris Parkes von der LHCb-Kollaboration. (arXiv:2006.16957)

Quelle: CERN

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