(CERN) Auf dem Atomzerstörer befindet sich ein neues exotisches subatomares Teilchen. Physiker, die mit der Large Hadron Collider Beauty (LHCb)-Kollaboration des CERN zusammenarbeiten, haben eine neue Form des schwer fassbaren Vier-Quark-Teilchens namens Tetraquark entdeckt, das sie noch nie zuvor gesehen haben.
Das neu identifizierte Teilchen besteht aus vier Quarks der gleichen Geschmacksrichtung und ist laut Wissenschaftlern wahrscheinlich das erste einer bisher unentdeckten Klasse von Teilchen.
Das Papier, das es beschreibt, war auf arXiv hochgeladen , und muss noch einem Peer-Review unterzogen werden, reiht sich aber in eine wachsende Zahl von Beweisen ein, die die Existenz exotischer Teilchen belegen.
Quarks sind Elementarteilchen, die einen der Grundbausteine der Materie darstellen. Protonen und Neutronen – die subatomaren Teilchen in den Atomkernen, aus denen alle sichtbare Materie (einschließlich uns) besteht – enthalten jeweils drei Quarks, die durch die starke Kernkraft miteinander verbunden sind.
Partikel, die andere Konfigurationen enthalten, z. B. vier-, fünf- Und sechs- Quark-Teilchen sind viel seltener (und Sechs-Quark-Teilchen sind immer noch hypothetisch). Solche Teilchen sind so selten, dass wir bis dahin nicht einmal die Existenz von Tetraquarks bestätigen konnten erst vor ein paar Jahren .
Quarks können auf verschiedene Arten kategorisiert werden. Es gibt sechs verschiedene Arten oder Geschmacksrichtungen: „Up“, „Down“, „Top“, „Bottom“, „Seltsam“ und „Charme“. Jeder dieser Geschmacksrichtungen hat sein eigenes Antiquark-Teilchen. Und sie haben unterschiedliche Massen – Top-, Charm- und Bottom-Quarks sind die „schweren“ Quarks.
Die Konfiguration des neuen Tetraquarks bewirkt zwei Dinge, die wir noch nie zuvor gesehen haben. Es besteht aus vier Quarks der gleichen Geschmacksrichtung; und alle vier davon sind schwere Quarks.
„Teilchen, die aus vier Quarks bestehen, sind bereits exotisch, und das, das wir gerade entdeckt haben, ist das erste, das aus vier schweren Quarks derselben Art besteht, nämlich zwei Charm-Quarks und zwei Charm-Antiquarks.“ sagte der Physiker und scheidende LHCb-Sprecher Giovanni Passaleva des Nationalen Instituts für Kernphysik in Italien.
„Bisher wurden beim LHCb und anderen Experimenten nur Tetraquarks mit höchstens zwei schweren Quarks beobachtet und keines mit mehr als zwei Quarks des gleichen Typs.“
Das ungewöhnliche Teilchen wurde entdeckt, als man noch einmal darüber nachdachte Daten erhoben und gespeichert aus den beiden Betriebsläufen des Large Hadron Collider, zunächst von 2009 bis 2013 und dann von 2015 bis 2018 nach erheblichen Modernisierungen.
Das Team durchsuchte diese Daten mithilfe einer neuen Technik zur Suche nach neuen Partikeln, bei der nach einem Übermaß an Kollisionsereignissen gesucht wird. Die Forscher fanden diesen Überschuss für eine Teilchenart namens J/ψ-Meson, die aus zwei Quarks besteht – einem Charm-Quark und einem Charm-Antiquark.
J/ψ-Mesonen sind wie alle Mesonen instabil; Sie zerfallen in weniger als einer Minute Zeptosekunde , was bedeutet, dass es schwierig ist, sie direkt zu erkennen. Was wir erkennen können, sind die Myonenteilchen, in die J/ψ-Mesonen zerfallen, und auf diese Weise auf ihre Anwesenheit schließen.
Doch die vom Team entdeckten Myonenteilchenschauer waren zu energiereich für einen einfachen Zerfall von J/ψ-Mesonen. Interessanterweise lagen sie jedoch genau in der Mitte des Energiebereichs, der für vollständig bezauberte Tetraquarks (wie die Teilchenart recht charmant genannt wird) vorhergesagt wurde, innerhalb der Standardabweichungsschwelle für die Behauptung, ein neues Teilchen entdeckt zu haben.
Zum jetzigen Zeitpunkt ist noch unklar, wie Tetraquarks aufgebaut sind. Es ist möglich, dass es sich um echte Tetraquarks handelt, die aus vier fest miteinander verbundenen Quarks bestehen. Es ist aber auch möglich, dass sie aus Paaren schwach gebundener Zwei-Quark-Teilchen bestehen.
Die gleiche Möglichkeit gilt für Pentaquarks und Hexaquarks – dass sie aus gebundenen Paaren kleinerer Teilchen bestehen und nicht aus einem fest gebundenen Teilchen.
Die Entdeckung weiterer dieser exotischen Teilchen – und weiterer Arten dieser exotischen Teilchen, wie diese neue Entdeckung – könnte zur Lösung dieses Rätsels beitragen. Dies wiederum könnte mehr Licht auf die starke Kernkraft werfen, die Quarks in Protonen und Neutronen bindet und so die Existenz von Materie ermöglicht.
„Diese exotischen schweren Teilchen bieten extreme und doch theoretisch recht einfache Fälle, mit denen sich Modelle testen lassen, die dann zur Erklärung der Natur gewöhnlicher Materieteilchen wie Protonen oder Neutronen verwendet werden können.“ sagte der Teilchenphysiker und neue LHCb-Sprecher Chris Parkes der University of Manchester im Vereinigten Königreich.
„Es ist daher sehr spannend, sie zum ersten Mal bei Kollisionen am LHC auftauchen zu sehen.“
Das Papier des Teams ist auf der Preprint-Website verfügbar arXiv .