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Tetraquark : Mächtiger Neuzugang im Teilchenzoo

Detektor BESIII am Elektronen-Positronen-Speicherring in Peking Bild: IHP, Chinesische Akademie der Wissenschaft

Ein geladenes Teilchen, das bei Beschleuniger-Experimenten in China und Japan aufgespürt wurde, ist viermal so schwer wie ein Proton. Womöglich besteht der Exot aus vier Quarks. Das wäre für die Physiker eine kleine Sensation.

          2 Min.

          Auf ein exotisches Teilchen, das elektrisch geladen und etwa viermal so schwer ist wie ein Proton, sind zwei Forschergruppen bei Beschleuniger-Experimenten in Japan  und China gestoßen. Das ungewöhnliche an dem Teilchen ist der Umstand, dass es aus vier Quarks statt aus drei solcher elementaren Materiebausteine besteht wie das Proton oder das Neutron. Die Physiker haben ihren Neuzugang Z(3900) getauft, wobei die Zahl in Klammern die Masse des Teilchens (3900 Millionen Elektronenvolt) angibt.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Wie die Forschergruppen – unter ihnen Physiker aus Bochum, Gießen, Mainz und Darmstadt – in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ (doi: 10.1103/PhysRevLett.110.252001, 10.1103/PhysRevLett.110.252002) berichten, gingen ihnen jeweils einige Dutzend Exemplare (insgesamt 466 Ereignisse) des bislang unbekannten Teilchens ins Netz, als sie energiereiche Elektronen und deren Antiteilchen, die Positronen, miteinander kollidieren ließen. Die erzeugten Z(3900)-Teilchen erwiesen sich allerdings als äußerst flüchtig. Sie zerfielen nach nur etwa 10 hoch(-23 ) Sekunden sofort in langlebigere Partikeln, die von den Detektoren registriert und identifiziert werden konnten.

          Das  Resonanzsignal von Z(3900)
          Das Resonanzsignal von Z(3900) : Bild: IHP, Chinesische Akademie der Wissenschaft

          Aus einer Suche wird ein Zufallsfund

          Ursprünglich war man auf der Suche nach  einem exotischen Teilchen – das Y(4260) –,  das man erstmals im Jahre 2005  am Teilchenbeschleuniger des Stanford  Linear Accelerator Center in Kalifornien erzeugt hatte. Von  Y(4260) nimmt man  an, dass es sich ebenfalls um ein Teilchen aus vier Quarks handelt – falls es tatsächlich existiert. Doch statt Y(4260) erblickte nun Z(3900) das Licht der Welt. Eine erste Analyse hat gezeigt, dass  Z(3900) vermutlich aus einem Up-Quark, einem Anti-Down-Quark sowie einem Charm und einem Anti-Charm-Quark besteht.

          Das Belle-Experment am japanischen Forschungszentrum Kek in Tsukuba, Tokio.
          Das Belle-Experment am japanischen Forschungszentrum Kek in Tsukuba, Tokio. : Bild: Kek

          Bestehende Zweifel ausgeräumt

          Bislang glaubte man nicht so recht an die Existenz von Partikeln, die aus vier Quarks bestehen. Da man das Z(3900) nun unabhängig mit dem BES III-Experiment am Elektron-Positron-Speicherring  in Peking und dem  Belle-Experiment am japanischen  Forschungszentrum  Kek in Tsukuba bei Tokio unabhängig voneinander nachgewiesen hat, scheinen die Zweifel ausgeräumt zu sein. „Die Entdeckung war für uns eine Überraschung“, sagt Zhiqing Liu der Zeitschrift „Nature“. Der chinesische Teilchenphysiker arbeitet wie noch andere Physiker an beiden Experimenten mit. Dadurch bot sich die Gelegenheit, den Fund zu überprüfen.

          Mesonen-Molekül oder Tetraquark

          Unklar ist allerdings, ob es sich um einen molekülartigen Zustand handelt, der von zwei sogenannten Mesonen mit jeweils zwei Quarks gebildet wird, oder um ein Tetraquark, ein Mesonn das statt aus einem Quark-Anti-Quark aus vier gebunden Quarks besteht. 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 elementaren Materiebausteine selbst.

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