Auf der Jagd nach den hypothetischen Dibaryonen

Künstlerische Darstellung eines gebundenen H Dibaryons, theoretisch bestehend aus zwei Up-, zwei Down-, und zwei Strange-Quarks (Copyright 2011, Keiko Murano)
Künstlerische Darstellung eines gebundenen H Dibaryons, theoretisch bestehend aus zwei Up-, zwei Down-, und zwei Strange-Quarks (Copyright 2011, Keiko Murano)

Die Beobachtung eines theoretischen exotischen Teilchens könnte dank kürzlich entwickelter mathematischer Simulationen möglich werden.

Ein besseres Wissen über die Zusammensetzung subatomarer Teilchen wie Protonen und Neutronen hat Vermutungen über bislang noch unbeobachtete Teilchen aufkommen lassen. Ein Team aus Wissenschaftlern der HAL QCD Collaboration in Japan hat ein Werkzeug entwickelt, das auf theoretischen Berechnungen basiert und bei der Suche nach diesen Teilchen helfen könnte.

Auf ihrer grundlegendsten Ebene besteht Materie aus Teilchen, die als Quarks bekannt sind. Teilchenphysiker bezeichnen die sechs unterschiedlichen Typen als “Flavors”: Up, Down, Charm, Strange, Top und Bottom. Die Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms sind Beispiele für eine Teilchenklasse, die als Baryonen bezeichnet werden: Teilchen bestehend aus drei Quarks. Zwei miteinander verbundene Baryonen nennt man Dibaryonen, aber bis heute wurde nur ein einziges Dibaryon gefunden: Ein gebundenes Proton und Neutron, das insgesamt drei Up-Quarks und drei Down-Quarks besitzt.

Modelle, welche die potenziellen physikalischen Eigenschaften von Dibaryonen – wie etwa ihre Masse und Bindungsenergie – offenbaren, sind entscheidend, wenn in Zukunft mehr dieser Teilchen entdeckt werden. Zu diesem Zweck entwickelte die Collaboration, darunter Tetsuo Hatsuda vom RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science in Wako, Simulationen, die neues Licht auf einen vielversprechenden Kandidaten werfen: Das H Dibaryon, das zwei Up-Quarks, zwei Down-Quarks und zwei Strange-Quarks enthält (siehe Bild).

Die Dynamik von Quarks wird in einer komplexen Theorie beschrieben, der Quantenchromodynamik (QCD). Die Simulationen werden allerdings zunehmend schwieriger, wenn mehr Teilchen einbezogen werden müssen: Insbesondere werden Dibaryonen mit sechs Quarks getestet. Hatsuda und seine Kollegen benutzten einen Ansatz namens Gittereichtheorie, in der Zeit und Raum als ein Gitter aus diskreten Punkten angesehen werden. Sie vereinfachten die Berechnung indem sie annahmen, dass alle Quarks dieselbe Masse besitzen, aber das Strange-Quark ist tatsächlich schwerer als die Up-, und Down-Quarks. “Wir wissen aus vorherigen theoretischen Studien, dass die Bindungsenergie im Fall der gleich großen Massen am höchsten sein sollte”, sagt Hatsuda. “Wenn wir keinen gebundenen Zustand in dem Fall gleich großer Massen gefunden hätten, gäbe es keine Hoffnung dafür, dass der gebundene Zustand in dem realistischen Fall ungleicher Massen existiert.”

Die Ergebnisse aus den Simulationen der Collaboration zeigten, dass die Gesamtenergie des Dibaryons kleiner ist als die summierte Energie zweier separater Baryonen, was bestätigt, dass H Dibaryonen energetisch stabil sind. “Wir hoffen, als nächsten Schritt die exakte Bindungsenergie für ungleiche Quarkmassen zu finden, was eine der wichtigsten Herausforderungen in numerischen QCD Simulationen darstellt”, ergänzt Hatsuda.

Quelle: http://www.rikenresearch.riken.jp/eng/research/6642

(THK)

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