Erstes Tetraquark mit doppeltem Charm(e)

Ein besonderer Exot: Physiker haben erstmals ein Tetraquark aus zwei schweren Charm-Quarks und zwei leichteren Antiquarks entdeckt – den ersten Vertreter einer ganz neuen Klasse von Vier-Quark-Teilchen. Diese doppelt schweren Tetraquarks gelten als Kandidaten für langlebige, vielleicht sogar stabile Vertreter der exotischen Quarkkombinationen. Der Nachweis eines dieser Teilchen am Large Hadron Collider (LHC) des CERN eröffnet damit neue Chancen zur Erforschung dieser exotischen Materieform.

In normaler Materie kommen Quarks typischerweise in Dreierkombinationen vor, wie in den Protonen und Neutronen des Atomkerns. Außerdem gibt es kurzlebige Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark. Soweit die klassische Bestandsaufnahme. Doch in den letzten Jahren haben Physiker in Teilchenbeschleunigern noch weitere, exotische Kombinationen von Quarks nachgewiesen, darunter Partikel mit vier, fünf oder sogar sechs Quarks.

Erstes doppelt schweres Tetraquark

Jetzt gibt es Zuwachs im Teilchenzoo: Physiker am Large Hadron Collider (LHC) des Forschungszentrums CERN haben den ersten Vertreter einer neuen Klasse von Vier-Quark-Teilchen entdeckt – den doppelt schweren Tetraquark (Tcc⁺). Diese Teilchen aus zwei schweren und zwei leichten Quarks wurden schon in den 1980er Jahren postuliert, aber seither noch nie nachgewiesen. Sie gelten als die besten Kandidaten für Hadronen, die trotz ihrer exotischen Quarkkombination stabil sind.

Ein solches Tcc⁺-Tetraquark haben die CERN-Forscher nun entdeckt. Es entsteht bei Protonenkollisionen im Teilchenbeschleuniger LHC und wurde anhand eines auffallenden „Buckels“ in der Massenverteilung der im Detektor LHCb eingefangenen Teilchen entdeckt. „Das Tetraquark manifestiert sich als schmaler Peak im D-Meson-Massenspektrum“, beschreiben die Physiker das Signal.

Die statistische Signifikanz liegt nach Angaben der Forscher bei mehr als 20 Standardabweichungen – und damit weit über der Schwelle von fünf Sigma, ab der man in der Teilchenphysik von einer Entdeckung spricht.

Doppelter Charm(e)

Das neuentdeckte Tetraquark besteht aus zwei schweren Charm-Quarks, einem Up-Antiquark und einem Down-Antiquark. Damit ist es nicht nur das erste doppelt schwere Vier-Quark-Teilchen – es ist auch das erste Tetraquark, das zwei Charm-Quarks ohne ausgleichende Charm-Antiquarks enthält. Physiker sprechen bei einem solchen Teilchen von einem doppelten „open Charm“ – quasi einer doppelten Charm(e)-Dosis.

Lange war unklar, ob solche Teilchen überhaupt existieren und ob sie wie die anderen Tetraquarks über die starke Kernkraft zusammengehalten werden. „Die lange ersehnte Entdeckung von dieser Woche zeigt nun, dass ein solches über die starke Kernkraft zerfallendes Tcc⁺-Tetraquark existiert – und dass seine Signatur experimentell nachweisbar ist“, berichteten die Physiker der LHCb-Kollaboration am 29. Juli 2021 bei der Hochenergiephysik-Konferenz der European Society.

Langlebiger als alle anderen Exoten

Spannend auch: Das neue Tetraquark ist das langlebigste aller bisher bekannten exotischen Hadronen, wie die Physiker berichten. Als Hadronen werden alle Teilchen bezeichnet, die durch die Starke Kernkraft zusammengehalten werden. Die Masse des Tetraquarks liegt nur knapp unter dem Wert, den seine Zerfallsprodukte besitzen – zwei jeweils aus einem schweren Charm-Quark und einem leichten Antiquark bestehende D-Mesonen.

Das Energieniveau im gebundene Viererzustand liegt demnach nur wenig über dem der Zerfallsprodukte und das ist ein Indiz für eine relativ hohe Stabilität. „Das bedeutet, dass dieses Tetraquark zwar noch über die starke Wechselwirkung in zwei D-Mesonen zerfällt, aber dies geschieht langsamer und weniger intensiv als bei den anderen exotischen Hadronen“, erklärt LHCb-Forscher Ivan Polyakov von der Syracuse University. Damit bestätigt das neue Teilchen, dass die Klasse der doppelt schweren Tetraquarks tatsächlich besonders stabil ist.

Neue Einblicke in exotische Hadronen

Die Entdeckung des neuen Tetraquarks ermöglicht nun erste Rückschlüsse auf den nächsten, wahrscheinlich noch stabileren Vertreter der doppelt schweren Tetraquarks – ein Teilchen aus zwei Bottom-Quarks mit zwei leichten Antiquarks. Dieses noch schwerere Hadron ist allerdings mit der jetzigen Leistung des LHC noch nicht nachweisbar und entsteht nur extrem selten, wie Polyakov erklärt.

Umso günstiger ist es, dass sein leichterer Cousin, das doppelt „charmante“ Tetraquark besonders gut zu detektieren und damit auch zu erforschen ist. „Das neue Tcc⁺-Tetraquark ist ein verlockendes Objekt weiterer Forschung. Denn sein Zerfall umfasst nur Teilchen, die gut nachzuweisen sind“, so das LHCb-Team. „Das ermöglicht eine hohe Präzision bei der Massebestimmung und stringente Tests für die existierenden theoretischen Modelle.“ (European Physical Society conference on high-energy physics (EPS-HEP 2021))

Quelle: CERN, LHCb Collaboration