Schwere Schwester des Protons: Am CERN entdecktes Teilchen löst 20 Jahre altes Rätsel
Ein internationales Forschungsteam hat am Kernforschungslabor CERN bei Genf in der Schweiz eine schwerere Spielart des Protons entdeckt. Protonen sind positiv geladene Teilchen, die zusammen mit den Neutronen die Atomkerne aller Elemente bilden. Sie bestehen selbst aus sogenannten Quarks – das Proton aus zwei Up- und einem Down-Quark. Das neue Teilchen, das auf den Namen Xicc+ getauft wurde, setzt sich aus zwei Charm-Quarks und einem Down-Quark zusammen und ist etwa viermal schwerer als ein Proton. Die Entdeckung, die jetzt offiziell gemacht und auf einer physikalischen Fachtagung vorgestellt wurde, könnte Physikerinnen und Physikern dabei helfen, besser zu verstehen, wie die starke Kernkraft Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält.
Quarks sind grundlegende Bausteine der Materie und treten in sechs verschiedenen Versionen auf: Up, Down, Charm, Strange, Top und Bottom. Sie verbinden sich normalerweise zu zweit oder zu dritt zu Hadronen. Zweiergruppen heißen Mesonen, Dreiergruppen Baryonen. Anders als das stabile Proton sind jedoch die meisten davon instabil und kurzlebig, was ihre Beobachtung erschwert. Um sie zu erzeugen, müssen Teilchen auf extrem hohe Energien gebracht werden und in einer Maschine wie dem Large Hadron Collider (LHC) aufeinanderprallen. Die dabei entstehenden instabilen Hadronen zerfallen schnell, aber die stabileren Teilchen, die daraus hervorgehen, können nachgewiesen werden. Aus ihnen lassen sich die Eigenschaften des ursprünglichen Teilchens ableiten. Mit dem nun vorgestellten Teilchen steigt die Gesamtzahl der am LHC entdeckten Hadronen auf 80.
Bereits im Jahr 2017 erhaschten Physiker am LHC einen Blick auf ein exotisches Teilchen, das aus zwei Charm-Quarks und einem Up-Quark bestand. Es existierte nur eine billionstel Sekunde lang und wurde auf den Namen Xicc++ getauft. Seitdem wurde der Beschleuniger technologisch aufgerüstet: Er erhielt ein neuartiges System aus Silizium-Pixel-Detektoren, das die neuerliche Entdeckung überhaupt erst ermöglichte. Denn das Xicc+-Teilchen hat eine noch kürzere Lebensdauer als sein Schwesterteilchen Xicc++, bedingt durch komplexe Quanteneffekte. Das macht seinen Nachweis erheblich schwieriger.
Das Standardmodell der Teilchenphysik
Das Standardmodell enthält alle bisher bekannten Elementarteilchen. Links oben sind die sechs Quarks Up (u), Down (d), Charm (c), Strange (s), Top (t) und Bottom oder auch Beauty (b) verzeichnet. Sie können jeweils drei verschiedene Farbladungen besitzen (Rot, Grün oder Blau). Diese Ladung bestimmt, wie sie an Gluonen (g) koppeln, die selbst zwei Farbladungen tragen. Neben der durch die Gluonen vermittelten starken Kernkraft unterliegen die Quarks der schwachen Kernkraft und dem Elektromagnetismus. Ihre elektrische Ladung beträgt entweder 2/3 oder –1/3 der Elektronenladung. Die Masse der sechs Quarks variiert stark, vom leichtesten Up-Quark mit 2,2 MeV/c2 bis zum schweren Top-Quark mit über 170 GeV/c2.
Außerdem gibt es sechs verschiedene Leptonen: das Elektron (e), das Myon (μ), das Tauon oder Tau (τ) und für jedes dieser Teilchen ein dazugehöriges Neutrino (ν). Sie unterliegen alle der schwachen Wechselwirkung, und bis auf die drei Neutrinos haben sie eine negative Elektronenladung. Wie bei den Quarks schwankt auch ihre Masse: von 511 keV/c2 des leichten Elektrons bis zu mehr als 1,7 GeV/c2 des schweren Tauons. Die Masse der Neutrinos ist tatsächlich so klein, dass sie bisher noch nicht bestimmt werden konnte.
Quarks und Leptonen bilden zusammen drei Teilchenfamilien, die sich bis auf ihre Massen nicht voneinander unterscheiden. Sie wirken damit wie drei praktisch identische Kopien; diese Symmetrie lässt sich durch die Gruppentheorie beschreiben.
Neben den Gluonen befinden sich in der rechten Spalte die übrigen Teilchen, welche die drei Grundkräfte des Standardmodells übermitteln. Das W+-, das W–- und das Z-Boson sind für die schwache Kernkraft verantwortlich, die radioaktive Zerfälle bewirkt. Das Photon übermittelt die elektromagnetische Kraft. Für die vierte Grundkraft, die Gravitation, wird vermutet, dass ein Graviton existiert. Das Higgs-Boson unterscheidet sich von seinen Artgenossen. Es hängt nicht mit einer fundamentalen Kraft zusammen, sondern verleiht den Teilchen ihre Masse. Außerdem unterliegt es der schwachen Wechselwirkung.
Um das Standardmodell zu vervollständigen, kommen noch die Antiteilchen der Quarks und der Leptonen hinzu, die sich lediglich durch das Vorzeichen ihrer elektrischen Ladung von den ursprünglichen Partikeln unterscheiden.
»Dies ist das erste neue Teilchen, das nach dem Upgrade des LHCb-Detektors identifiziert wurde – und erst das zweite Mal überhaupt, dass ein Baryon mit zwei schweren Quarks beobachtet wurde«, sagt LHCb-Sprecher und Teilchenphysiker Vincenzo Vagnoni laut einer Mitteilung. Der Befund weise eine statistische Signifikanz von mehr als sieben Sigma auf – ein Maß, mit dem Physiker ausdrücken, wie sicher sie sich sind, dass das Ergebnis kein Zufallstreffer ist. Das übertrifft die für die Bekanntgabe einer Entdeckung erforderliche Fünf-Sigma-Schwelle deutlich.
Hinzu kommt, dass die Entdeckung ein 20 Jahre altes Rätsel löst. Im Jahr 2002 glaubten Physiker, die am SELEX-Experiment am Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois arbeiteten, ein Teilchen entdeckt zu haben, das dem Xicc+ sehr ähnlich sah – es bestand ebenfalls aus zwei Charm-Quarks und einem Down-Quark. Es hatte im Experiment jedoch eine viel geringere Masse als theoretisch vorhergesagt. Das konnte nun korrigiert werden. Die neuen Ergebnisse klären die Frage nach der Masse dieses Teilchens endgültig.
»Es ist eine sehr interessante Messung, aber es ist noch unklar, was wir daraus lernen«, sagt Juan Rojo von der Freien Universität Amsterdam in den Niederlanden gegenüber dem »New Scientist«. »Es gibt in der Quantenchromodynamik keine Regel, welche die Existenz dieses Hadrons verbietet. Doch nun, da wir gemessen haben, dass es existiert, stellen sich viele neue Fragen.« Dies liege zum Teil daran, dass aktuelle Theorien nicht gut vorhersagen können, wie schwerere Quarks im Inneren von Baryonen interagieren oder wie groß ihre Massen sein sollten.
CERN-Generaldirektor Mark Thomson nennt das aktuelle Ergebnis »ein fantastisches Beispiel für die einzigartigen Fähigkeiten des aufgerüsteten Detektors LHCb«. Das zeige, wie experimentelle Upgrades am CERN direkt zu neuen Entdeckungen führen. Die nächste Ausbaustufe des LHC – der High-Luminosity-LHC – soll die Kollisionsrate weiter steigern und damit künftig die Datenbasis für noch seltsamere Teilchen liefern.
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