Das Pentaquark ist ein völlig neues Quarksystem, das aus fünf Quarks besteht.

Vorlage aus der Theorie

Prinzipiell gestattet das Standardmodell der Teilchenphysik im Rahmen der Quantenchromodynamik (QCD) Teilchen, die aus mehr als nur zwei Quarks (Mesonen) oder drei Quarks (Baryonen) zusammengesetzt sind. Allerdings beobachteten die Experimentatoren jahrzehntelang nicht derartige 'Quarkbälle'.
Auf theoretischer Seite entwickelten Diakonov, Petrov & Polyakov 1997 im Rahmen des chiralen Soliton-Modells weitere Realisierungen von Teilchen (Papier hep-ph/9703373). Wesentlicher Ausfluss dieser Überlegungen war ein Schema von zehn baryonischen Teilchen (Anti-Dekuplett). Darunter befand sich ein Teilchens namens Z⁺(1530), einem Pentaquark.

Fund im Experiment: Θ⁺

Motiviert durch diese theoretische Grundlage gelang schließlich im Jahr 2003 der japanischen LEPS-Kollaboration der Nachweis dieses Pentaquarks (Papier von Nakano et al., hep-ex/0301020). LEPS (Laser Electron Photon beamline at SPring-8) produziert Photonen mit GeV-Energien (!) aus der inversen Compton-Streuung von UV-Laserphotonen an hochrelativistischen Elektronen der Energie 8 GeV. Die Elektronen erreichen diese Energien bzw. Geschwindigkeiten nach mehrmaligem Durchlaufen der ringförmigen Beschleunigungsstrecke im Teilchenbeschleuniger. Beim nachgewiesenen Pentaquark handelt es sich um das leichteste Pentaquark, das seither nicht Z⁺, sondern Θ⁺ heißt. Im Experiment ging man so vor, dass man Gammastrahlen, also noch energiereichere, elektromagnetische Strahlung als Röntgenstrahlung, auf ein Kohlenstoff-Target (C-12) schoss. Ein Zerfallskanal dieser Reaktion besteht darin, dass die Gammastrahlen auf Neutronen (engl. photo-production from neutron) in den Atomkernen des Kohlenstoffs treffen und dabei Kaonen (K-Mesonen), eine bestimmte Form von Mesonen, erzeugen. In Vorwärtsrichtung, also wenn man von vorne in den Teilchenstrahl schaut, beobachteten die Experimentatoren eine scharfe, baryonische Resonanz bei 1.54 GeV. Eine Resonanz bezeichnet in diesem Zusammenhang einen molekülartigen Verbund aus Meson und Baryon. Dies wurde als ein neues Teilchen, das Pentaquark interpretiert. Es hat als Quarkgehalt zwei up-Quarks, zwei down-Quarks und ein anti-strange-Quark. Die Quantenzahl Seltsamkeit ist also +1. Dieses Quarkkonglomerat zerfällt schließlich nach kurzer Zeit in ein Neutron (udd) und ein positiv geladenes Kaon (u anti-s).

noch eine Pentaquark gefunden: Ξ(1860)

Am CERN wurde bei der NA49-Kollaboration Evidenz für ein weiteres Pentaquark namens Ξ(1860) gefunden (Alt et al. 2003, hep-ex/0310014). Es soll aus zwei d-Quarks, zwei s-Quarks und einem anti-u-Quark bestehen. Diese Entdeckung wurde kritisch hinterfragt (Fischer & Wenig 2004, hep-ex/0401014). Am US-amerikanischen Jefferson Lab konnten in Experimenten, die denjenigen der japanischen LEPS-Kollaboration vergleichbar waren, keine Pentaquarks hergestellt werden. Die Erforschung dieses neuen Gebiets der Teilchenphysik bleibt deshalb spannend.

Tetraquark auch gefunden: X(3872)

Wenige Monate nach der Entdeckung des ersten Pentaquarks gelang der Belle-Kollaboration um Choi et al. der Nachweis eines Tetraquarks (Papier hep-ex/0309032). Diese Teilchen bestehen aus vier Quarks. Der spezielle Name dieser baryonischen Resonanz ist X(3872).