Besteht das Pentaquark aus zwei Teilen?

Drei plus zwei: Pentaquarks sind exotische Teilchen, die aus fünf statt drei Quarks bestehen. Jetzt liefern neue Daten des Teilchenbeschleunigers LHC am CERN erstmals Hinweise darauf, wie diese kurzlebigen Exoten aufgebaut sind. Demnach bilden die fünf Quarks offenbar zwei eng verbundene Untereinheiten. Die eine besteht aus drei Quarks ähnlich wie die Atombausteine Proton und Neutron. Die andere ist ein Meson, eine Paarung aus Quark und Antiquark.

Quarks sind die Grundbausteine der Materie. Diese Elementarteilchen verbinden sich dabei mit Vorliebe zu Zweier- oder Dreierpaaren: Baryonen, darunter die Neutronen und Protonen im Atomkern, bestehen aus jeweils drei Quarks. Mesonen, instabile Zerfallsprodukte schwererer Teilchen, bestehen dagegen aus einem Quark und einem Antiquark. Doch in den letzten Jahren haben Physiker noch weitere, exotische Quarkkombinationen entdeckt – Teilchen aus vier, fünf und sogar sechs Quarks.

Welche Struktur hat das Pentaquark?

Die große Frage bei diesen exotische Quarkkombinationen ist jedoch, wie sie intern aufgebaut sind: Sind alle Quarks gleich stark miteinander verbunden? Oder bilden sie Untereinheiten, die dann ihrerseits wie Atome im Molekül miteinander gekoppelt sind? Die Quantenchromodynamik – die Theorie, die die Bindung von Quarks mithilfe von Gluonen beschreibt – erlaubt theoretisch beides, wie die Forscher der LHCb-Kollaboration erklären.

Auf der Suche nach Hinweisen auf die Unterstruktur der Pentaquarks, haben die Physiker noch einmal alle Daten der ersten Laufzeit des Large Hadron Collider (LHC) am CERN ausgewertet und in den Ergebnissen des Detektors LHCb gezielt nach den Signalen der Pentaquarks gesucht. Insgesamt fanden sie dabei 246.000 für Pentaquarks typische Teilchenzerfälle – neunmal mehr als zuvor, wie sie berichten.

Zwei Peaks statt einem

Das Spannende jedoch: Das zuvor eher undeutliche Signal eines Pentaquarks bei 4.450 Megaelektronenvolt (MeV) war in den neuen Daten besser aufgelöst – und entpuppte sich als Doppelspitze. „Die Struktur bei 4.450 MeV zeigt sich als zwei schmale Peaks bei 4.440 und 4.457 MeV“, berichten die Forscher. „Die Signifikanz dieser Doppelspitzen-Struktur liegt bei 5,4 Sigma.“ Ab einem Wert von fünf Sigma gilt ein Ergebnis in der Teilchenphysik als nachgewiesen.

„Diese Signifikanz ist damit groß genug, um die bisherige Interpretation als ein einziger Peak bei 4.450 MeV zu widerlegen“, konstatieren die Physiker. Ihrer Ansicht nach könnte das Pentaquark demnach tatsächlich aus zwei Untereinheiten bestehen. Eine wäre dann ein Baryon aus einem Down- und zwei Up-Quarks, das andere dagegen ein Meson aus einem Charm- und einem Anticharm-Quark, wie die Forscher berichten.

„Molekül“ aus einem Baryon und einem Meson?

„Unsere Daten liefern damit den bisher stärksten experimentellen Beleg dafür, dass es gebundene Zustände aus einem Baryon und einem Meson gibt“, erklären die Physiker der LHCb-Kollaboration. Dass es solche molekülartigen Kopplungen dieser beiden Teilchensorten geben könnte, vermuten Physiker schon seit den 1950er Jahren. Bewiesen aber sind sie bisher nicht.

Noch können auch die LHC-Daten nicht den endgültigen Beweis liefern, denn die Ergebnisse lassen auch einige alternative Erklärungen zu – auch wenn diese teilweise eher unwahrscheinlich sind. Dennoch seien nun noch weitere Experimente und Ergebnisse nötig, betonen die Physiker. (Physical Review Letters, 2019; doi: 10.1103/PhysRevLett.122.222001)

Quelle: American Physical Society