Teilchen aus fünf Quarks entdeckt

Nach 50 Jahren endlich gefunden: Physiker am Teilchenbeschleuniger LHC haben erstmals ein exotisches Teilchen aus fünf Quarks nachgewiesen. Dieses Pentaquark wurde schon lange vorhergesagt, doch erst jetzt gelang es, das Gebilde aus vier Quarks und einem Antiquark nachzuweisen. Wie genau die fünf Elementarteilchen in diesen exotischen Partikel miteinander verknüpft sind, muss allerdings noch geklärt werden.

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Ein Großteil der Materiebausteine besteht aus Quarks. Typischerweise gruppieren sich diese Elementarteilchen dabei zu Zweier- oder Dreierpaaren. In Neutronen und Protonen sind es jeweils drei Quarks, Mesonen, instabile Zerfallsprodukte schwererer Teilchen, bestehen dagegen aus einem Quark und einem Antiquark. Doch in den letzten Jahren haben Physiker auch weitere, exotische Kombinationen entdeckt, die aus vier und sogar sechs Quarks bestehen.

Was jedoch bisher fehlte, war ein exotisches Teilchen, das schon das Modell des Quark-Entdeckers, Murray Gell-Mann, in den 1960ern vorhersagte: das Pentaquark. Dieses müsste theoretisch aus vier Quarks und einem Antiquark bestehen. „Das Pentaquark ist nicht irgendein neues Teilchen“, erklärt der Sprecher des LHCb-Experiments Guy Wilkinson. „Es repräsentiert einen Weg, Quarks auf eine Weise zu kombinieren, die in 50 Jahren der experimentelle Suche nie gefunden wurde.“

Auffallender Peak in den Zerfallsdaten

Jetzt könnte Physikern am Large Hadron Collider (LHC) des CERN dieser Nachweis gelungen sein. Mit Hilfe des Detektors LHCb erforschten die Physiker eigentlich den Zerfall eines speziellen Baryons, sogenannten Lambda b-Teilchens, in drei andere Partikel. Bei der Auswertung der Massenspektren jedoch fanden die Forscher Hinweise auf einen Zwischenzustand, der klar als Peak in den Kurven zu erkennen war.

„Wir haben mit Hilfe des großen Datensatzes und der Präzision unseres Detektors alle Möglichkeiten überprüft, und kommen zu dem Schluss, dass dieser Peak nur durch Pentaquark-Zustände erklärt werden kann“, berichtet LHCb-Forscher Tomasz Skwarnicki von der Syracuse University. Demnach handelt es sich um eine Kombination um zwei Up-Quarks, ein Down-Quark, ein Charm-Quark und ein Anti-Charm-Quark.

Das Pentaquark könnte auch aus zwei Untereinheiten zusammengesetzt sein - einer aus drei Quarks und ein Meson aus aus einem Quark und einem Antiquark. © CERN / LHCb Collaboration

Feste Bindung oder loser Zweier-Verbund?

Wie diese fünf Teilchen miteinander verknüpft sind, ist noch nicht klar, das müssen nun weitere Analysen zeigen. „Die Quarks könnten eng miteinander verbunden sein, sie könnten aber auch nur lose verknüpft sein und eine Art Meson-Baryon-Molekül bilden“, erklärt LHCb-Physiker Liming Zhang von der Tsinghua Universität. In einem solchen „Molekül“ wären die beiden Untereinheiten durch eine starke Kraft miteinander verbunden ähnlich der starken Kernkraft, die im Atomkern Neutronen und Protonen zusammenhält.

Die Forscher hoffen nun, durch die neuen Daten des mit erhöhter Energie laufendne LHC herauszufinden, welche der beiden Möglichkeiten für das neu entdeckte Pentaquark zutrifft. „Seine Eigenschaften zu studieren könnte uns dabei helfen, besser zu verstehen, wie die normale Materie aus der wir alle bestehen, zusammengesetzt ist“, sagt Wilkinson. (Physical Review Letters, in press; arXiv:1507.03414)

(CERN, 15.07.2015 – NPO)