02.07.2011 · Am Beschleuniger des Forschungszentrums Jülich hat man Hinweise auf ein neues exotisches Teilchen aus sechs Quarks gefunden. Die Entdeckung könnte ein altes Rätsel lösen.
Von Robert Gast
© FZ-Jülich
Teilchenbeschleuniger Cosy des Forschungszentrums Jülich
Schon wieder ein neues Teilchen? Es ist noch keine zwei Monate her, da sorgte die Nachricht vom amerikanischen Forschungszentrum Fermilab in der Fachwelt für Aufsehen, man habe möglicherweise am Teilchenbeschleuniger Tevatron ein bis dato unbekanntes Elementarteilchen samt neuer Naturkraft aufgespürt. Das Ergebnis hielt sich allerdings nicht lange, denn vor zwei Wochen maß eine unabhängige Forschergruppe am Tevatron nach und sah nichts. Davon unbeeindruckt hat jetzt eine andere internationale Forschergruppe vermeldet, sie habe am Forschungszentrum Jülich bei Kollisionsexperimenten möglicherweise Hinweise auf die Existenz eines bisher unbekannten Bausteins der Materie gefunden, der aus mehr als den sonst üblichen zwei oder drei Quarks besteht. Die Veröffentlichung, die es sogar auf das Titelblatt der renommierten Fachzeitschrift "Physical Review Letters" geschafft hat, droht allerdings nicht das physikalische Weltbild ins Wanken zu bringen. Stattdessen haben die Physiker möglicherweise ein Teilchen entdeckt, das ein seit fünfzig Jahren bestehendes Rätsel lösen könnte.
Vier, fünf oder sechs Quarks
Die Quarks zählen wie die Elektronen zu den elementaren Bausteinen der Materie. Niemals isoliert, treten die Quarks gewöhnlich in Zweiergruppen als Mesonen oder in Dreiergruppen als Baryonen auf - jener Teilchenklasse, deren prominentesten Vertreter die Protonen und Neutronen sind. Es gibt Dutzende verschiedene Baryonen und Mesonen, die meisten davon leben nur Sekundenbruchteile, bevor sie in andere Teilchen zerfallen. Die fragilen Exemplare entstehen ausschließlich in der kosmischen Höhenstrahlung und bei Kollisionsexperimenten in mächtigen Teilchenbeschleunigern. Bei entsprechend hohen Kollisionsenergien können dem Standardmodell der Teilchenphysik zufolge theoretisch auch Partikeln kreiert werden, die aus vier, fünf oder aus sechs Quarks bestehen. Bisher konnten jedoch keine derartigen exotischen Quarkzuständen experimentell nachgewiesen werden, auch wenn es in den vergangenen Jahren immer wieder Hinweise auf die Existenz von Tetra- und Pentaquarks gab. Der exotische Quarkzustand, der am ringförmigen Teilchenbeschleuniger Cosy jetzt möglicherweise gesichtet wurde, soll sogar aus sechs Quarks bestehen.
Überraschender Befund
Die Wissenschaftler haben bei ihrem Experiment Protonen in dem 184 Meter umfassenden Ringbeschleuniger Cosy nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit Neutronen kollidieren lassen. Dabei verschmolzen die beiden Stoßpartner, die jeweils aus drei Quarks bestehen, zu einer schweren, aus einem Neutron und einem Proton zusammengesetzten Variante des Wasserstoffkerns, einem Deuteron. Außerdem entstanden zwei Pion-Mesonen, die nach kurzer Zeit jeweils in zwei Photonen weiterzerfielen. Die Analyse aller Zerfallsprodukte erlaubte es, den genauen Hergang der Teilchenkollision zu rekonstruieren.
Der überraschende Befund trat bei einer Kollisionsenergie von 2,37 Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt) auf. Bei dieser Energie stießen Protonen und Neutronen fünfmal so häufig miteinander zusammen, wie man erwartet hatte. Die Physiker sprechen hierbei von einer Resonanz. Diese tritt gewöhnlich auf, wenn die kollidierenden Teilchen bei der bestimmten Energie einen gebundenen Zustand formen können. Wie die Forscher in den "Physical Review Letters" (Bd. 106, Nr. 242302) berichten, währte der Bindungszustand aber nicht lange: Schon nach einer hunderttrilliardstel (10-23) Sekunde ging die Resonanz in einen Zustand aus zwei sogenannten Delta-Baryonen über, aus dem letztendlich die Pionen und das Deuteron entstanden.
Weiterer Klärungsbedarf
Was während des Resonanzzustandes zwischen den Quarks passierte, können die Forscher noch nicht sagen. Das aber ist der springende Punkt: Denn nur wenn weitere Messungen belegen, dass alle sechs Quarks für kurze Zeit einen gemeinsamen Bindungszustand eingehen, hat man es wirklich mit einem exotischen Teilchen aus sechs Quarks zu tun. Die Forscher müssen aber noch zeigen, dass die Resonanz auch bei elastischen Kollisionen auftritt, also dann, wenn das Proton und das Neutron, die kollidieren, nicht zu einem Deuteron fusionieren. Das ausstehende Experiment wollen die Forscher demnächst angehen. Mit belastbaren Ergebnissen rechnen sie in zwei Jahren.
Als recht unwahrscheinlich gilt unter Experten derweil, dass die Resonanz auf eine statistische Schwankung oder einen Messfehler zurückzuführen ist, wie das bei dem vermeintlichen Teilchenfund im April am Tevatron höchstwahrscheinlich der Fall gewesen war. "Das Experiment hat Hand und Fuß", sagt Ahmed Ali vom Deutschen Elektronensynchrotron Desy in Hamburg über die Arbeit seiner Kollegen, an der er nicht beteiligt war.
ABC eines alten Effekts
Unabhängig davon, ob sich die Resonanz als neues Teilchen entpuppt oder nicht, hat selbige nach Einschätzung Alis bereits jetzt ein fünfzig Jahre altes Rätsel der Kernphysik gelöst. Im Jahr 1961 hatten die Wissenschaftler Alexander Abashian, Norman E. Booth und Kenneth M. Crowe bei Fusionsreaktionen am Lawrence Radiation Laboratory der University of California in Berkeley beobachtet, dass Schwerpunktenergien auf einen bestimmten Wert fielen. Für diesen sogenannten ABC-Effekt, der seitdem immer wieder beobachtet wurde, könnte die in Jülich entdeckte Resonanz nun eine überzeugende Erklärung liefern.
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