Physikalisches Rätsel: Forscher des CERN haben im Teilchenbeschleuniger ein unbekanntes Teilchen entdeckt. Noch ist unklar, ob es sich um eine exotische Kombination aus zwei Mesons oder ein Partikel aus vier Quarks handelt. Klar ist dagegen, dass bisherige theoretische Erklärungen das Verhalten dieses Teilchens nicht ausreichend beschreiben. Ein Physiker bezeichnete es daher als „neues Mitglied im Club der bisher unerklärten Zustände“.
Quarks sind die fundamentalen Bausteine der Materie, aus ihnen bestehen alle Atomkerne und viele weitere Teilchen. Die sechs Quarksorten und ihre Antiteilchen verbinden sich dabei mit Vorliebe zu Zweier- oder Dreierpaaren: Die Neutronen und Protonen im Atomkern bestehen aus jeweils drei Quarks. Die Mesonen, instabile Zerfallsprodukte schwererer Teilchen, bestehen dagegen aus einem Quark und einem Antiquark.
Aber in den letzten Jahren haben Physiker mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern auch eine ganze Reihe von exotischen Quark-Kombinationen nachgewiesen. Darunter molekülähnliche Teilchen aus sechs Quarks und aus vier Quarks. Erst vor kurzem kam ein lange vorgesagtes, exotisches Teilchen aus fünf Quarks hinzu.
Beschuss von flüssigem Wasserstoff
Jetzt haben Physiker der COMPASS-Kollaboration am CERN erneut ein exotisches Teilchen mit möglicherweise vier Quarks entdeckt. Das a1(1420) genannte Teilchen entsteht, wenn Pionen – Partikel aus einem Up- und einem Anti-Down-Quark – mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf flüssigen Wasserstoff geschossen werden. Auf Touren gebracht werden die Pionen dabei nicht im LHC, sondern im Super Proton Synchrotron (SPS) des CERN.
Dabei zeigte sich in den Zerfallsspuren ein Teilchen, das einem ungewöhnlich leichten Meson ähnelt. Seine Masse liegt bei 1,42 Gigaelektronenvolt und es zerfällt seinerseits in Skalar-Mesons von 0,98 GeV. Überraschend ist dies vor allem deshalb, weil dieser Massenbereich seit einem halben Jahrhundert gut untersucht ist – hier ein noch unbekanntes Teilchen zu finden, war daher unerwartet.
Meson-Molekül oder Tetraquark?
Eine Besonderheit ist aber auch das exotische Teilchen selbst. Zwar haben theoretische Physiker schon eine Reihe von Erklärungen dazu vorgeschlagen, worum es sich dabei handeln könnte. So könnte es a1(1420) eine Art Molekül sein, aufgebaut aus bekannten Mesonen. Möglich wäre aber auch ein Vier-Quark-Zustand. Andere Erklärungen machen verschiedenartige Effekte der starken Wechselwirkung für die Beobachtung verantwortlich.
Doch diese Erklärungen decken die experimentellen Befunde nicht vollständig ab. „Obwohl es experimentell gut belegt ist, ist das neue Teilchen a1(1420) offenbar ein neues Mitglied im Club der bisher unerklärten Zustände“, sagt Stephan Paul vom Exzellenzcluster Universe der TU München. Die Experten der Quantenchromodynamik haben daher mit diesem neuen Teilchenzustand eine weitere Aufgabe zu lösen. (Physical Review Letters, 2015; doi: 10.1103/PhysRevLett.115.082001)
(Excellence Cluster „Universe“, 01.09.2015 – NPO)
