Den Nachweis für ein neues Elementarteilchen hat jetzt ein internationales Wissenschaftlerteam erbracht: Das neue Teilchen N*(1685) stellt einen angeregten Zustand des Nukleons (Protons oder Neutrons) dar, auch Resonanzanregung genannt. Die Erforschung solcher Resonanzanregungen liefert wertvolle Informationen zur inneren Struktur der Bausteine der Materie.
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„Das ist so wie wir durch Anregung der Saiten einer Geige ihre Qualität beurteilen können“, erklärt Professor Maxim V. Polyakov von der Ruhr-Universität Bochum (RUB). Zusammen mit Professor Viatcheslav Kuznetsov von der Kyungpook Universität in Korea berichtet er über die neuen Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Letters to Journal of Theoretical and Experimental Physics“.
Zwei Besonderheiten zeichnen N* aus
Vor genau 40 Jahren erhielt Luis Walter Alvarez den Nobelpreis für „die Entdeckung einer großen Anzahl resonanter Zustände“. Einen dieser Zustände, der theoretisch vor einigen Jahren vorausgesagt worden war, konnten die Forscher jetzt experimentell belegen, indem sie Atomkerne mit Photonen beschossen und sie so in Schwingungen versetzten.
Zwei Besonderheiten unterscheiden N*(1685) (sprich N star) von den bekannten Resonanzanregungen der Materie: Zum einen lebt das neue Elementarteilchen etwa zehnmal länger. Im Fachjargon heißt es, N*(1685) habe eine ungewöhnlich schmale Breite, was allerdings auch hohe Anforderungen an die Experimentiergenauigkeit zur Folge hat: Man muss viel genauer „zielen“, um diese Resonanzanregung zu treffen.
Die andere Besonderheit ist, dass N*(1685) bei Beschuss sehr viel leichter aus dem Neutron als aus dem Proton hervorgeht. In die üblichen baryonischen Resonanzzustände dagegen werden Neutronen und Protonen gleich leicht versetzt.
Fünf oder mehr Quarks sind nötig
Die Anregung zur experimentellen Suche nach N* gaben theoretische Untersuchungen, denen neue Vorstellungen über die Struktur der Atomkernbausteine zugrunde liegen. Laut dieser Vorstellung können die Elementarteilchen als so genannte Solitonen, also nicht lineare solitäre Wellen, betrachtet werden.
Diese Idee existiert seit 1962. Die neuen Entwicklungen dieser Betrachtungsweise eröffnen jetzt die Möglichkeiten, nicht nur den Grundzustand, sondern auch die angeregten Zustände des Nukleons zu beschreiben. Die Eigenschaften der Resonanzanregungen erfordern allerdings eine Beschreibung, die nicht nur auf den wohlbekannten drei Quarks beruht, sondern auch fünf- oder mehr-Quark Zustände oder dessen Superposition umfasst.
Umstrittener und berühmter Verwandter
N* gehört nach den theoretischen Rechnungen zu einer Gruppe von zehn Teilchen ähnlicher Struktur, zusammengefasst unter dem Begriff „Anti-Dekuplett“ (Anti-Zehnling). Ein Bestandteil dieser Gruppe ist das weltberühmte, aber immer noch umstrittene Theta+, ein exotisches Baryon, das nicht aus drei, sondern aus vier Quarks und einem Antiquark besteht.
Vorausgesagt 1997 von Dimitri Diakonov, Victor Petrov und Polyakov, wurde es 2003 und 2004 in mehreren Experimenten identifiziert, dann aber in ebenso vielen nicht gefunden.
Jetzt ist eine neue Studie eines japanischen Forscherteams um Takashi Nakano erschienen, die eine neue und überzeugende Evidenz für die Existenz von Theta+ liefert und dabei indirekt auch die Strukturüberlegungen zu N*(1685) unterstützt.
„Auf jeden Fall liegt bei N*(1685) ein Teilchen vor, dessen Zerfallsbreite wie beim Theta+ ganz wesentlich kleiner ist als die aller anderen baryonischen Teilchen“, so Professor Klaus Goeke vom Institut für Theoretische Physik der RUB. „Wenn sich das bestätigt, haben wir eine neue und ganz besondere Teilchensorte im Zoo der Elementarteilchen.“
Vorhersagen vor fünf Jahren
Vor fünf Jahren wurden Teilchen der N* Sorte unter anderem von Polyakov vorausgesagt, und zwar genau mit den erwähnten besonderen Eigenschaften. Experimentelle Daten, die man mit einem solchen Teilchen weitgehend erklären kann, wurden 2007 von der Kollaboration GRAAL publiziert und kürzlich durch das Experiment ELSA/TAPS am Bonner Elektronenbeschleuniger ELSA bestätigt.
Dabei wurden Photonen auf Nukleonen geschossen, wodurch das N* erzeugt wurde, das dann nachweislich in ein Eta-Meson – instabiles Teilchen aus einem Quark und einem Antiquark – und ein Nukleon zerfiel. Die Bochumer Theoretiker, insbesondere Polyakov, haben die Auswertung dieser Experimente teilweise im Rahmen des Transregio-Sonderforschungsbereichs begleitet.
(idw – Ruhr-Universität Bochum, 22.01.2009 – DLO)
