Heute hat das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) des CERN die Entdeckung einer Teilchenklasse bekannt gegeben, die als Pentaquarks bezeichnet wird. Die Kollaboration hat eine Abhandlung beim Journal Physical Review Letters eingereicht, die diese Ergebnisse beschreibt.
“Das Pentaquark ist nicht nur irgendein neues Teilchen”, sagte Guy Wilkinson, der Sprecher des LHCb-Experiments. “Es repräsentiert eine Möglichkeit, Quarks – die fundamentalen Bestandteile gewöhnlicher Protonen und Neutronen – in einem Muster anzuordnen, das in mehr als 50 Jahren experimenteller Suche nie zuvor beobachtet wurde. Die Untersuchung seiner Eigenschaften könnte uns helfen besser zu verstehen, wie gewöhnliche Materie (die Protonen und Neutronen, aus denen wir alle bestehen) aufgebaut ist.”
Unser Wissen über die Struktur von Materie wurde 1964 revolutioniert, als der amerikanische Physiker Murray Gell-Mann vermutete, dass eine Teilchenkategorie, die sogenannten Baryonen, aus drei gebrochen geladenen Objekten besteht, den Quarks. Zu den Baryonen zählen auch Protonen und Neutronen. Außerdem vermutete er, dass eine andere Kategorie, die Mesonen, aus Quark-Antiquark-Paaren besteht. Für seine Arbeit erhielt Gell-Mann im Jahr 1969 den Nobelpreis für Physik. Dieses Quarkmodell erlaubt auch die Existenz anderer Zustände, die aus mehreren Quarks zusammengesetzt sind. Dazu gehören beispielsweise Pentaquarks, die aus vier Quarks und einem Antiquark bestehen. Bis jetzt wurde allerdings noch kein schlüssiger Nachweis für Pentaquarks beobachtet.
Die LHCb-Forscher suchten nach Pentaquarkzuständen, indem sie den Zerfall eines Baryons namens Λb (Lambda b) in drei andere Teilchen beobachteten: ein J/ψ– (J-psi), ein Proton und ein geladenes Kaon. Die Untersuchung der Massenbereiche des J/ψ– und des Protons offenbarte, dass an ihrer Erzeugung manchmal Zwischenstadien beteiligt waren. Diese wurden als Pc(4450)+ und Pc(4380)+ bezeichnet. Der erstgenannte Zwischenzustand war in den Daten deutlich als Spitze erkennbar, für den letzteren mussten die Daten vollständig beschrieben werden.
“Dank des umfangreichen Datensatzes vom LHC und der exzellenten Genauigkeit unseres Detektors haben wir alle Möglichkeiten für diese Signale untersucht und schlussfolgern, dass sie nur durch Pentaquarkzustände erklärt werden können”, sagte der LHCb-Physiker Tomasz Skwarnicki von der Syracuse University. “Genauer gesagt, müssen die Zustände aus zwei Up-Quarks, einem Down-Quark, einem Charm-Quark und einem Anti-Charm-Quark bestehen.”
Frühere Experimente, die nach Pentaquarks gesucht haben, erwiesen sich als nicht eindeutig. Das LHCb-Experiment unterscheidet sich davon insofern, als dass es in der Lage war, aus vielen Perspektiven nach Pentaquarks zu suchen, die alle auf dieselbe Schlussfolgerung hindeuteten. Es ist so, als hätten die früheren Experimente im Dunkeln nach Silhouetten gesucht, während LHCb die Suche mit eingeschaltetem Licht und aus allen Blickwinkeln durchführte. Der nächste Schritt bei der Analyse wird sein zu untersuchen, wie die Quarks innerhalb der Pentaquarks aneinander gebunden sind.
“Die Quarks könnten eng gebunden sein”, sagte der LHCb-Physiker Liming Zhang von der Tsinghua University. “Oder sie könnten in einer Art Meson-Baryon-Molekül locker gebunden sein , wo das Meson und das Baryon eine starke Kraft erfahren, die mit jener Kraft vergleichbar ist, welche Protonen und Neutronen aneinander bindet, um Atomkerne zu bilden.”
Weitere Studien werden erforderlich sein, um zwischen diesen Möglichkeiten zu unterscheiden und um zu sehen, was Pentaquarks uns noch lehren können. Die neuen Daten, die das LHCb-Experiment beim zweiten Betriebslauf des LHC sammeln wird, werden Fortschritte hinsichtlich dieser Fragen ermöglichen.
Abhandlung: “Observation of J/ψ– resonances consistent with pentaquark states in Λb0 –> J/ψK–p decays” von der LHCb Collaboration
Quelle: http://press.web.cern.ch/press-releases/2015/07/cerns-lhcb-experiment-reports-observation-exotic-pentaquark-particles
(THK)
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