Zwei unerwartete, neue Hadronen mit darin enthaltenen Bottom-Quarks wurden vom Belle-Experiment der High Energy Accelerator Research Organization entdeckt. Der Fund gelang unter Verwendung des leistungsfähigen Elektron-Positron-Beschleunigers “B Factory” (KEKB) in Japan. Diese neuen Teilchen haben eine elektrische Ladung und werden als “exotische” Hadronen angesehen – nicht standardgemäße Hadronen, die mindestens vier Quarks enthalten. Vorher wurde eine Reihe neuer, unerwarteter exotischer Hadronen beobachtet, die Charm- und Anti-Charm-Quarks enthalten. Diese neuste Entdeckung des Belle-Experiments beweist die Existenz exotischer Hadronen, die mindestens vier Quarks in einem Teilchensystem enthalten, Bottom-Quarks eingeschlossen.
Das Belle-Experiment hat zwei neue unerwartete Teilchen am “B Factory” entdeckt. Diese neuen Teilchen, Zb genannt, enthalten beide ein Bottom-Quark (das zweitschwerste Quark unter den sechs bekannten Quarktypen) und ein Anti-Bottom-Quark (das Antiteilchen des Bottom-Quarks). Zudem besitzen sie eine elektrische Ladung und man denkt, dass es sich um Hadronen handelt, in denen neben dem Bottom-Quark und dem Anti-Bottom-Quark mindestens zwei zusätzliche Quarks (insgesamt mindestens vier Quarks) aneinander gebunden sind.
Der KEKB-Beschleuniger erreichte die welthöchste Luminosität und produzierte durch die Elektron-Positron-Kollisionen eine riesige Datenmenge. Während wir uns auf Bottomonia (schwere Mesonen, bestehend aus einem Bottom-Quark und einem Anti-Bottom-Quark) konzentrieren, führten wir eine detaillierte Analyse von Ereignissen durch, die zwei Typen von Bottomonia einbeziehen, Υ und hb. Diese Analyse enthüllte zwei neue unvorhergesehene, geladene Teilchen, die in ein Bottomonium (Υ oder hb) und ein geladenes Pi-Meson (Π±) zerfallen und gemäß ihren Massenwerten von 10.610 MeV/c2 und 10.650 MeV/c2 als “Zb(10610)” und “Zb(10650)” bezeichnet wurden. Sie sind annähernd elfmal schwerer als ein Proton. Im Normalfall ist die Ladung eines Bottomonium-Teilchens Null. Deshalb sollten diese geladenen Zb-Teilchen mindestens zwei weitere Quarks besitzen, beispielsweise ein “Up”-Quark und ein “Anti-Down”-Quark (siehe Bild).
Bislang wurden mehrere hundert Mesonen identifiziert. Von allen nimmt man an, dass sie gebundene Zustände von einem Quark und einem Anti-Quark darstellen, wobei die Bindekraft von der starken Wechselwirkung elementarer Teilchen herrührt. Mit dem KEKB-Beschleuniger hat das Belle-Experiment allerdings mehr als zehn “exotische Hadronen” entdeckt – darunter das X(3872), das Y(3940) und das Z(4430) – welche von existierenden Theorien nicht vorausgesehen wurden. Die neuen Teilchen sind 4-4,5 Mal schwerer als ein Proton und könnten exotische Hadronen sein, die aus einem Charm-Quark und einem Anti-Charm-Quark, sowie zwei anderen, leichteren Quarktypen bestehen. Diese unerwarteten Entdeckungen haben die Aufmerksamkeit von Forschern auf der ganzen Welt auf sich gezogen. Die neuste Entdeckung hat die Existenz exotischer Hadronen offenbart, welche Bottom-Quarks enthalten, die schwerer als Charm-Quarks sind.
Das Belle-B-Factory-Experiment begann 1999 mit dem Ziel, den Ursprung des Teilchen-Antiteilchen-Symmetriebruchs (CP-Verletzung) aufzuklären und lieferte Beiträge zum Nobelpreis für Physik 2008, der an die Doktoren Kobayashi und Maskawa verliehen wurde. Die aus den Elektron-Positron-Kollisionen gewonnenen Daten mit der am KEKB-Beschleuniger erzielten welthöchsten Luminosität haben außerdem eine Reihe unerwarteter Entdeckungen von exotischen Hadronen hervorgebracht und öffnen einen neuen Bereich der Teilchenphysik. Die Datensammlung am Belle-Experiment wurde bereits abgeschlossen, aber eine große Datenmenge wartet noch auf eine detaillierte Analyse. Eine verbesserte Version des KEKB/Belle-Experiments namens SuperKEKB / Belle II wird derzeit vorbereitet.
Belle II zielt darauf ab, 50 Mal mehr Daten zu sammeln als das vorangegangene Experiment. Forscher warten gespannt auf die Gelegenheit, das volle Spektrum exotischer Hadronen zu untersuchen, die verschiedene Quarktypen enthalten – eingeschlossen Strange-Quarks, Charm- und Bottom-Quarks – und von denen man ausgeht, dass sie in Zukunft mit dem SuperKEKB / Belle II-Experiment entdeckt werden. Es muss darauf hingewiesen werden, dass Quarks durch die starke Wechselwirkung aneinander gebunden sind und zusammengesetzte Teilchen aufbauen und daher nicht als freie Teilchen existieren können. Die detaillierte Erforschung exotischer Hadronen wird das Verständnis darüber verbessern, wie und welche Hadrontypen möglicherweise auf den durch die Quanten-Chromodynamik definierten Mechanismen basieren, die die starke Wechselwirkung beschreibt.
Eine Studie, die über diesen Erfolg berichtet, wurde am 30. Dezember 2011 für die Veröffentlichung in den Physical Review Letters akzeptiert und wird bald erscheinen.
Quelle: http://www.kek.jp/intra-e/press/2012/011014/
(THK)
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