Die internationale LHCb Collaboration am Large Hadron Collider (LHC) hat drei nie zuvor registrierte Teilchen beobachtet: Eine neue Art von Pentaquark und das erste Paar aus Tetraquarks, was eine neue Art von Tetraquark einschließt. Die Ergebnisse wurden am 5. Juli 2022 auf einem CERN-Seminar präsentiert und fügen der wachsenden Liste neuer Hadronen am LHC drei neue exotische Mitglieder hinzu. Sie werden Physikern helfen besser zu verstehen, wie sich die Quarks zu diesen Teilchen aneinanderbinden.
Quarks sind Elementarteilchen, die es in sechs sogenannten Flavours gibt: Up, Down, Charm, Strange, Top und Bottom. Normalerweise finden sie sich in Gruppen aus zwei oder drei Teilchen zusammen, um Hadronen wie die Protonen und Neutronen zu bilden, aus denen die Atomkerne bestehen. Seltener können sie sich jedoch auch in Teilchen aus vier oder fünf Quarks zusammenbinden, die als Tetraquarks beziehungsweise Pentaquarks bezeichnet werden. Diese exotischen Hadronen wurden von Theoretikern zur selben Zeit (vor etwa 60 Jahren) vorhergesagt wie die konventionellen Hadronen. Aber erst in den letzten 20 Jahren wurden sie von LHCb und anderen Experimenten beobachtet.
Die meisten der in den letzten 20 Jahren entdeckten exotischen Hadronen sind Tetraquarks oder Pentaquarks mit einem Charm-Quark und einem Charm-Antiquark, wobei die restlichen zwei oder drei Quarks ein Up-, Down-, Strange-, beziehungsweise deren Antiquarks sind. Aber in den letzten zwei Jahren hat das LHCb-Experiment verschiedene Arten exotischer Hadronen entdeckt. Vor zwei Jahren entdeckte die Collaboration ein Tetraquark aus zwei Charm-Quarks und zwei Charm-Antiquarks, sowie zwei „Open-Charm“ Tetraquarks aus einem Charm-Antiquark, einem Up-Quark, einem Down-Quark und einem Strange-Antiquark. Und im vergangenen Jahr fand das Team das erste Beispiel für ein „Double-Open-Charm“ Tetraquark aus zwei Charm-Quarks, einem Up- und einem Down-Antiquark. Open Charm bedeutet, dass das Teilchen ein Charm-Quark ohne das entsprechende Antiquark enthält.
Die am 5. Juli 2022 von der LHCb Collaboration bekanntgegebene Entdeckung beinhaltet zwei neue Arten exotischer Hadronen. Die erste wurde in einer Analyse der Zerfallsprozesse von negativ geladenen B-Mesonen beobachtet und ist ein Pentaquark aus einem Charm-Quark, einem Charm-Antiquark, sowie jeweils einem Up-, Down- und Strange-Quark. Es ist das erste Pentaquark, das ein Strange-Quark enthält. Die Entdeckung hat eine statistische Signifikanz von überwältigenden 15 Standardabweichungen, was weit über den fünf Standardabweichungen liegt, die benötigt werden, um in der Teilchenphysik die Beobachtung eines neuen Teilchens geltend zu machen.
Das zweite ist ein doppelt elektrisch geladenes Tetraquark. Es ist ein Open-Charm Tetraquark bestehend aus einem Charm-Quark, einem Strange-Antiquark, sowie aus einem Up-Quark und einem Down-Antiquark. Es wurde zusammen mit seinem neutralen Gegenstück in einer Analyse der Zerfallsprozesse von positiv geladenen und neutralen B-Mesonen beobachtet. Die neuen Tetraquarks wurden mit einer statistischen Signifikanz von 6,5 Standardabweichungen für das doppelt geladene Teilchen und acht Standardabweichungen für das neutrale Teilchen registriert und repräsentieren das erste Mal, dass ein Paar aus Tetraquarks beobachtet wurde.
„Je mehr Analysen wir durchführen, desto mehr Arten exotischer Hadronen finden wir“, sagte der LHCb-Physikkoordinator Niels Tuning. „Wir sind Zeugen einer Zeit der Entdeckungen ähnlich wie in den 1950er Jahren, als ein ‚Teilchenzoo‘ aus Hadronen entdeckt wurde, was in den 1960er Jahren letztendlich zum Quarkmodell der konventionellen Hadronen führte. „Wir erstellen den ‚Teilchenzoo 2.0‘.“
„Die Entdeckung neuer Arten von Tetra- und Pentaquarks und die Messung ihrer Eigenschaften wird Theoretikern helfen, ein vereinigtes Modell exotischer Hadronen zu entwickeln, deren genaue Natur weitgehend unbekannt ist“, sagte der LHCb-Sprecher Chris Parkes. „Es wird auch helfen, die konventionellen Hadronen besser zu verstehen.“
Während manche theoretische Modelle exotische Hadronen als Einheiten aus eng gebundenen Quarks beschreiben, sehen andere Modelle sie als Paare aus Standardhadronen, die in einer molekülähnlichen Struktur locker gebunden sind. Nur die Zeit und weitere Untersuchungen an exotischen Hadronen werden zeigen, ob diese Teilchen das Ersteres oder Letzteres oder beides sind.
(THK)
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