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Zuwachs im Teilchenzoo : Ein Exot mit vierfachem Charme

Blick ins Innere des LHCb-Detektors. Zu sehen ist der gewaltige Magnet, der die geladenen Reaktionsprodukte in Richtung Detektor lenkt. Bild: Cern

Mächtiger Zuwachs im Teilchenzoo: Physiker haben am Forschungszentrum Cern ein subatomares Teilchen nachgewiesen, das aus vier Quarks der gleichen Sorte besteht. Von dem Exot erhofft man sich ein besseres Verständnis der starken Kernkraft.

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          Quarks, die wie Elektronen zu den elementaren Bausteinen der Materie zählen, treten nicht nur in Form von Zweier- oder Dreiergruppen auf. Eine internationale Forschergruppe ist bei Beschleunigerexperimenten am europäischen Forschungszentren Cern bei Genf zum wiederholten Mal auf ein exotisches Teilchen gestoßen, das offenkundig aus vier Quarks besteht.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Ungewöhnlich an diesem Tetraquark ist, dass es sich aus gleich vier Quarks der gleichen Sorte zusammensetzt, nämlich aus zwei schweren Charm-Quarks und zwei Anti-Charm-Quarks. Bislang kannte man nur Tetraquarks, die aus mindestens zwei unterschiedlichen Sorten von Quarks bestehen, etwa aus einem Up-Quark, einem Anti-Down-Quark sowie einem Charm und einem Anti-Charm-Quark. Die Physiker des Cern haben ihren Neuzugang, der siebenmal so schwer ist wie das Proton und nur Sekundenbruchteile lebt, X(6900) getauft, wobei die Zahl in Klammern die Masse des Teilchens (6900 Millionen Elektronenvolt) angibt.

          Das Standardmodell der Teilchenphysik schreibt ziemlich genau vor, wie sich die Grundbausteine der Materie zu verhalten haben. Danach treten die Quarks – von denen es insgesamt sechs Arten gibt – immer zu zweit oder zu dritt, aber niemals allein auf. Protonen und Neutronen der Atomkerne setzen sich beispielsweise aus je drei Quarks zusammen, Mesonen wie Kaonen und Pionen dagegen aus einem Quark-Antiquark-Paar.

          Verräterischer Teilchenüberschuss

          In den vergangenen Jahren haben Experimente an verschiedenen Teilchenbeschleunigern gezeigt, dass sich Quarks auch zu Vierer- und Fünfergruppen und sogar zu Sechsergruppen verbinden können.

          Illustration des Tetraquarks: Jede bunte Kugel entspricht einem Quark
          Illustration des Tetraquarks: Jede bunte Kugel entspricht einem Quark : Bild: Cern

          Die entsprechenden subatomaren Teilchen werden als Tetra-, Penta- und Hexaquarks bezeichnet. Allerdings hatte man bisher keine Gruppierung aus identischen Quarks beobachtet. Theoretisch sind solche exotischen Quarksysteme aber durchaus möglich.

          Wie die Forschergruppen – unter ihnen Physiker aus Aachen, Dortmund und Heidelberg – in ihrer auf der Online-Datenbank arXiv.org erschienenen Veröffentlichung berichten, entdeckten sie das Tetraquark beim Sichten von Datensätzen, die sie bei Messungen mit dem Large Hadron Collider (LHC) zwischen 2009 und 2013 und zwischen 2015 und 2018 am LHCb-Experiment gewonnen hatten. Man hatte damals energiereiche Wasserstoffkerne aufeinanderprallen lassen und die Eigenschaften der dabei produzierten Sekundärteilchen vermessen. Die Forscher konnten bei der Datenanalyse in einem Energiebereich um 6,9 Gigaelektronenvolt eine resonanzartige Überhöhung bei der Zahl der registrierten J/Psi-Mesonen – Mesonen, die jeweils aus einem Charm-Anticharm-Paar bestehen – feststellen. Die Signifikanz des gemessenen Signals geben die Physiker mit mehr als fünf Sigma an, was einer Wahrscheinlichkeit von 99,9999 Prozent entspricht, dass es sich um ein echtes Signal und damit um eine Entdeckung handelt.

          Unklar ist allerdings, ob es sich bei dem Tetraquark tatsächlich um ein echtes Teilchen oder eher um einen molekülartigen Zustand handelt, der für kurze Zeit von zwei J/Psi-Mesonen gebildet wird. Von dem mächtigen Neuzugang im Teilchenzoo erhoffen sich die Physiker ein besseres Verständnis der Kernkraft, die die Quarks aneinander bindet, und auch von der Natur der Quarks selbst.

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