Exot im Teilchenzoo bestätigt

Was aus einer Fata Morgana werden kann

Von Manfred Lindinger
25.07.2015
, 20:34
Die Wissenschaftler der internationalen LHCb-Kollaboration am Forschungszentrum  Cern bei Genf: Im Hintergrund der riesige LHCb-Detektor.
Das umstrittene Pentaquark-Teilchen, das seit Jahren die Gemüter der Physiker erregt, ist jetzt am Forschungszentrum Cern nachgewiesen und damit offiziell bestätigt worden.
ANZEIGE

Es war eine wissenschaftliche Sensation, die sich schnell wieder verflüchtigte. Vor zwölf Jahren verkündeten japanische Forscher die Entdeckung eines Teilchens, das viele Physiker als den bis dahin mächtigsten Zuwachs im Teilchenzoo bezeichneten. Der Exot mit dem Namen „Pentaquark“ erregte vor allem durch seine ungewöhnliche Zusammensetzung - vier Quarks und ein Antiquark - große Aufmerksamkeit. Schon bald verkündeten auch andere Gruppen, dass sie ebenfalls Indizien für die Existenz des Pentaquarks gefunden hätten, zum Teil erst beim Durchforsten älterer Datensätze. Zwei Jahre später kam die Ernüchterung, als sich die Hinweise verdichteten, dass das Pentaquark - einer Fata Morgana gleich - womöglich gar nicht existiert.Nun haben Wissenschaftler am europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf das Pentaquark wieder zum Leben erweckt und den bislang stärksten Hinweis für die Existenz des Schwergewichts erbracht.

ANZEIGE

Die Theoretiker unter den Physikern waren von der Entdeckung der japanischen Forschergruppe im Jahr 2003 nicht allzu sehr überrascht. Denn das Standardmodell der Teilchenphysik, das genau vorschreibt, wie sich die Grundbausteine der Materie zu verhalten haben (siehe Kasten), schließt eine Vereinigung von vier oder mehr Quarks nicht unbedingt aus.

So stellt man sich das Pentaquark vor: Zwei Up-Quarks (u), ein Down Quark (d), ein Charm-Quark (c), ein Anti-Charm-Quark (c-quer).
So stellt man sich das Pentaquark vor: Zwei Up-Quarks (u), ein Down Quark (d), ein Charm-Quark (c), ein Anti-Charm-Quark (c-quer). Bild: Cern

Hinzu kam der Umstand, dass russische Physiker die Lebensdauer und die Masse des Fünf-Quark-Systems bereits 1997 berechnet hatten. Letztere fiel in einen Energiebereich, der offenkundig bis dahin nicht eingehend untersucht worden war. Das schien zumindest zu erklären, warum das Teilchen den Physikern durch die Lappen gegangen war.

Zufallsfund beim Sichten alter Messdaten

Erstaunt war man dann doch ziemlich, als die Versuche amerikanischer Forscher fehlschlugen, Pentaquarks mit einem leistungsfähigen Teilchenbeschleuniger am Thomas Jefferson Laboratory in Virginia zu erzeugen. Man wusste zwar, wo man zu suchen hatte, fand aber kein einziges Ereignis, das auf das Teilchen hindeutete. Danach herrschte lange Zeit Ratlosigkeit über die widersprüchlichen Resultate. Nun dürfte nach dem positiven Befund aus dem europäischen Forschungszentrum Cern bei vielen Physikern Erleichterungen herrschen.

Blick ins Innere des LHCb-Detektors. Von links kommen die Zerfallsprodukte, die in den verschiedenen Ebnen des LHCb-Detektors (rechts) registriert werden. Unter den Zerfallsprodukten befanden sich auch mehrere Teilchen aus fünf Quarks,  sogenannte Pentaquarks.
Blick ins Innere des LHCb-Detektors. Von links kommen die Zerfallsprodukte, die in den verschiedenen Ebnen des LHCb-Detektors (rechts) registriert werden. Unter den Zerfallsprodukten befanden sich auch mehrere Teilchen aus fünf Quarks, sogenannte Pentaquarks. Bild: LHCb, Cern

Die Cern-Wissenschaftler entdeckten zwei Varianten des Pentaquarks in den Datensätzen, die sie bei Messungen mit dem „Large Hadron Collider“ (LHC) zwischen 2009 und 2012 am LHCb-Experiment gewonnen hatten. Man hatte damals die Zerfälle von sogenannten Lamda-B-Baryonen untersucht. Unter den Zerfallsprodukten identifizierten die Physiker auch die gesuchten Teilchen, die sich aus jeweils zwei Up-Quarks, einem Down-Quark sowie einem Charm- und einem Anticharm-Quark zusammensetzten.

ANZEIGE

Die Massen der nachgewiesenen Pentaquarks betragen - je nach Anregungszustand der Teilchen - 4,38 beziehungsweise 4,45 Gigaelektronenvolt, wie die Cern-Forscher in ihrer Studie auf der Online-Datenbank „arXiv.org“ berichten. Das entspricht in etwa dem 4,7-fachen der Protonenmasse und stimmt gut mit den theoretischen Vorhersagen überein.

Die Wahrscheinlichkeit, dass man bei den Messungen am Cern einen Artefakt beschrieben hat, halten die Wissenschaftler für sehr gering. Nun hofft man, bei künftigen Experimenten auf weitere Varianten von Teilchen zu stoßen, die aus fünf Quarks bestehen.

ANZEIGE
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik

Das Standardmodell der Elementarteilchen gehört heute zu den am besten überprüften Theorien der Physik. Das „Weltmodell“ beschreibt zwölf Materieteilchen. Die sechs Leptonen (Elektron , Myon, Tau + zugehörige Neutrinos) und die sechs Quarks (Up, Down, Charm, Strange, Bottom Top) bezeichnet man auch als Fermionen. Aber nur aus den vier leichtesten Fermionen setzt sich die makroskopische Welt tatsächlich zusammen. Die Elektronen und die Up- sowie Down-Quarks sind die elementaren Bausteine von Atomen. Die Elektron-Neutrinos entstehen bei Kernreaktionen in großer Zahl. Das Standardmodell der schreibt ziemlich genau vor, wie sich die Grundbausteine der Materie zu verhalten haben. Danach treten die Quarks immer zu zweit oder zu dritt, aber niemals alleine auf. Protonen und Neutronen der Atomkerne setzen sich beispielsweise aus je drei Quarks zusammen, Kaonen und Pionen dagegen aus einem Quark-Antiquark-Paar.

Mit Ausnahme der Gravitation, die wegen ihrer geringen Stärke in der Teilchenphysik keine Rolle spielt, fügen sich die elektromagnetische, die starke und die schwache Kraft in das theoretische Modell ein.

Nach der heutigen Vorstellung werden die Kräfte zwischen den Quarks und Leptonen von Bosonen übertragen. Wie das Photon das Austauschteilchen der elektromagnetischen Kraft ist, so übermitteln das neutrale Z- und die beiden elektrisch geladenen W-Bosonen die schwache Kraft. Während das Z-Teilchen bei der Streuung von Neutrinos an Elektronen von Bedeutung ist, sind die W-Bosonen für den radioaktiven Beta-Zerfall verantwortlich.

Das Standardmodell hat eine gravierende Schwachstelle: Es erlaubt nur masselose Elementarteilchen und Bosonen. Doch diese Lücke füllt das Higgs-Boson aus, das Austauschteilchens des Higgs-Feldes. Die Elementarteilchen erhalten über die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld ihre spezifische Masse.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
  Zur Startseite
Verlagsangebot
Verlagsangebot
ANZEIGE