Quarks sind grundlegende Bausteine der Materie, die lange Zeit nur als Zweier- oder Dreierpaar bekannt waren: Protonen und Neutronen im Atomkern bestehen aus jeweils drei Quarks, in kurzlebigen Mesonen bilden ein Quark und ein Antiquark ein Paar. Aber in den letzten Jahren haben Physiker an Teilchenbeschleunigern auch neue Teilchen entdeckt, die aus mehr als drei Quarks bestehen, darunter verschiedene Tetraquarks, Pentaquarks und sogar Hexaquarks.
Teilchenzoo 2.0
„Je mehr Analysen wir durchführen, desto mehr Arten von exotischen Hadronen finden wir“, sagt Niels Tuning von der LHCb-Kollaboration am Forschungszentrum CERN in der Nähe von Genf. „Wir erleben eine ähnliche Entdeckungszeit wie in den 1950er Jahren, als wir auf den Zoo der Hadronenteilchen stießen, die heute die Grundlage unseres Standardmodells der Teilchenphysik bilden. Jetzt bauen wir Particle Zoo 2.0.” Die neuen Teilchen werfen ein neues Licht darauf, welche Kombinationen im Quarkreich möglich sind und welche Prozesse dabei eine Rolle spielen. 2002 wurde erstmals ein aus vier identischen Quarks bestehendes Quark nachgewiesen, 2021 folgte das erste doppelt bezauberte Quark, bestehend aus zwei schweren Charm-Quarks und zwei leichteren Antiquarks.
Erstes Pentaquark mit Strange Quark
Nun melden Physiker weitere Entdeckungen exotischer Teilchen. Sie wurden bei hochenergetischen Protonenkollisionen am Large Hadron Collider (LHC) am CERN, dem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, nachgewiesen. Bei der Analyse der im LHCb-Detektor aufgezeichneten Partikelspuren fanden die Forscher der LHCb-Kollaboration die Signaturen von drei neuen Partikeln. Das Pentaquark könnte aus zwei Untereinheiten bestehen, einem Quark-Trio und einem Quark-Antiquark-Paar. © CERN/LHCb-Zusammenarbeit Der erste Fund ist ein Pentaquark. Das Fünf-Quark-Teilchen hat eine Masse von 4.338 Megaelektronenvolt und enthält unter anderem zwei schwere Charm-Quarks. Gleichzeitig ist es das erste Pentaquark mit einem Strange Quark – beides Quarksorten, die nicht in den Bausteinen des Atomkerns vorkommen. Der Nachweis dieses exotischen Teilchens erreichte eine Signifikanz von 15 Sigma und übertraf damit bei weitem die offizielle Fünf-Sigma-Grenze für Entdeckungen.
Fünfergruppe oder Struktur aus zwei Untereinheiten?
Die Masse dieses Pentaquarks könnte den Physikern zufolge weitere Hinweise darauf geben, wie die fünf Quarks in solchen Teilchen aneinander gebunden sind. Unklar war bisher, ob in solchen Multiquark-Teilchen alle Quarks gleich stark gekoppelt sind oder ob es sich eher um lockere Aggregate aus Quark-Dreiern und Quark-Paaren handelt. Bereits 2019 lieferte ein schwacher Doppelpeak in den Teilchenkurven des LHC erste Hinweise auf eine solche Struktur aus zwei Untereinheiten. Auch für das neu entdeckte Pentaquark spricht viel: „Die Pentaquark-Masse steht an der Schwelle zur Meson-Baryon-Produktion“, erklären Physiker der LHCb-Kollaboration. „Dies könnte auf eine Interpretation als lose gebundene Kombination aus einem Drei-Quark-Baryon und einem Quark-Antiquark-Meson hindeuten.“ Bei dem neuen Quarkpaar ist eines der Teilchen doppelt positiv geladen, das andere neutral. © CERN/LHCb-Zusammenarbeit
Das erste Quarkpaar
Die zweite Teilchenentdeckung betrifft ein doppelt geladenes Tetraquark und den neutralen Partner des Tetraquarks. Laut Physikern ist es der erste Beweis für ein gepaartes Teilchen dieser Art. Beide Quarks haben eine Masse von etwa 2,9 Gigaelektronenvolt und bestehen jeweils aus einem Charm-Quark und einem Strange-Antiquark. Außerdem hat einer der Partner ein Up-Quark und ein Down-Antiquark, der zweite ein Down-Quark und ein Up-Antiquark. Den Forschern zufolge sind die Teilchen wahrscheinlich Isospin-Partner – sie stellen zwei Zustände eines quantenmechanischen Systems dar. Allerdings ist nicht klar, ob es weitere Partner dieser Art gibt und wie die vier Quarks in diesen Teilchen verbunden sind. Dieses Quarkpaar wurde mit einer Signifikanz von 6,5 und 8 nachgewiesen – auch das liegt deutlich über der Schwelle einer amtlichen Entdeckung. „Neue exotische Teilchen zu finden und ihre Eigenschaften zu messen, wird Theoretikern helfen, ein einheitliches Modell dieser exotischen Hadronen zu entwickeln“, erklärt LHCb-Sprecher Chris Parkes von der Universität Manchester. „Es hilft uns auch, herkömmliche Teilchen wie Protonen und Neutronen besser zu verstehen.“ (Internationale Konferenz für Hochenergiephysik, ICHEP 2022) Quelle: CERN, Universität Manchester 6. Juli 2022 – Nadja Podbregar
