Teilchen aus vier Quarks nachgewiesen

Indizien gab es schon länger, jetzt ist es eindeutig bestätigt: Es gibt exotische Teilchen aus gleich vier Quarks. Im Gegensatz zu bisher bekannten Teilchen aus zwei oder drei Quarks stellen sie einen exotischen Zustand dar, der bisher im Standardmodell nicht vorkommt. Im Detektor LHCb des Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider (LJHC) sind diese Tetraquarks nun erstmals unzweifelhaft nachgewiesen worden.

Alles um uns herum Sichtbare besteht aus Quarks. Diese Elementarteilchen bilden die Bausteine der Atomkerne. Typischerweise gruppieren sich die sechs Quarksorten und ihre Antiteilchen dabei zu Zweier- oder Dreierpaaren: Neutronen und Protonen beispielsweise bestehen aus jeweils drei Quarks, die Mesonen, instabile Zerfallsprodukte schwererer Teilchen, bestehen aus einem Quark und einem Antiquark.

Exotische Paarungen

Doch in der letzten Zeit mehren sich die Hinweise darauf, dass es auch noch weitere, exotische Paarungen geben könnte. So stießen Forscher 2011 im Teilchenbeschleuniger des Forschungszentrums Jülich auf Indizien für ein exotisches Teilchen aus gleich sechs verbundenen Quarks. 2013 entdeckten Physiker am Elektron-Positron-Beschleuniger BEPC-II in Peking ein kurzlebiges Teilchen aus vier Quarks. Die Daten waren in beiden Fällen aber nicht genau genug, um die Existenz dieser exotischen Quarkpaarungen eindeutig zu beweisen.

Das hat sich jetzt geändert: Forscher am Detektor LHCb des Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider (LHC) am CERN berichten eine unzweifelhafte Beobachtung eines exotischen Teilchens aus vier Quarks: Das Z(4430) getaufte Partikel besteht demnach höchstwahrscheinlich aus einem Charm, einem Anti-Charm, einem Down und einem Anti-Up-Quark, wie die Forscher berichten. Das schnell vergängliche Partikel existiert nur für die Dauer einer Hunderttrilliardstel Sekunde, dieser Zustand wird als Resonanz bezeichnet.

Vom LHCb registrierte Massenverteilung beim Zerfall von B-Mesonen - sie liefert das Signal für das Tetraquark. Schwarz die Messungen, rot die Simulation unter Annahme von Z(4430) und in braun die SImulation unter Annahme, dass es kein Z(4430) gibt. © LHCb-Collaboration / quantumdiaries

13,6 Sigma – ein eindeutiger Beweis

Entdeckt wurde Z(4430) durch Auswertung von mehr als 180 Billionen Proton-Proton-Kollisionen. Dabei entstehen kurzlebige B-Mesonen, deren Zerfall Rückschlüsse über die exotischen Vier-Quark-Teilchen erlaubt. „Die Signifikanz des Z(4430)-Signals ist überwältigend: mindestens 13,6 Sigma“, erklärt Pierluigi Campana, der Sprecher der LHCb-Kollaboration. In der Teilchenphysik gilt ein Signal als Entdeckung, wenn es einen statistischen Wert von mindestens fünf Sigma erreicht. Mit 13,6 Sigma sei daher die Existenz von Z (4430) eindeutig bestätigt.

„Die LHCb-Analysen bestätigen zudem die resonante Natur der Struktur, sie zeigen, dass es sich eindeutig um ein Teilchen handelt und nicht um irgendein spezielles Merkmal der Daten“, betont Campana. Das Signal ist zudem so stark, dass die Teilchenphysiker sogar erste Informationen über die Eigenschaften dieses Teilchens gewinnen konnten. Demnach liegt seine Masse bei 4430 Megaelektronenvolt – es ist damit vier Mal schwerer als ein Proton. Außerdem hat es eine negative Ladung.

Jetzt müssen die theoretischen Physiker ein Modell entwickeln, dass diese neue Quarkpaarung physikalisch beschreibt. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik sind sie zwar nicht verboten, aber bisher auch nicht offizieller Teil des „Teilchenzoos“. Ungeklärt ist bisher auch noch, ob es sich um einen echten Tetraquark handelt, einen Zustand von vier gleichberechtigt gebundenen Quarks oder eher um eine Kombination aus zwei Charm-Mesonen, als zwei Partikeln aus je einem Quark und Antiquark. (High Energy Physics – Experiment, 2014; arXiv:1404.1903)

(CERN, 11.04.2014 – NPO)