LHCb findet am CERN ein exotisches Tetraquark

Am Teilchendetektor LHCb des großen Beschleunigerringes Large Hadron Collider (LHC) ist es Teilchenphysikern der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) gelungen, ein Tetraquark aus vier gleichen Quarks nachzuweisen. Das ist ein Teilchen, welches aus zwei sogenannten Charm-Quarks  und zwei Anti-Charm-Quarks besteht.

Die Entdeckung haben die Forscher in einer Fachtagung präsentiert und am 1. Juli in einem nicht begutachteten Preprint auf arXiv  veröffentlicht. 

Auf der Webseite des LHCb Projektes haben sie die Ergebnisse ausführlich beschrieben.

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Was bringt uns das?

Quarks sind neben den Leptonen und Bosonen die kleinsten bekannten Elementarteilchen. Zu wissen, wie sich Quarks miteinander verbinden, ist Teil eines riesigen Puzzlespiels zur Lösung der großen Rätsel der Physik.

Dazu gehört etwa die Frage, was dunkle Materie ist und wie wir uns physikalische Beobachtungen erklären können, die nicht ins Standardmodell der Physik zu passen scheinen. Oder vielleicht findet sich sogar eine Weltformel der Physik.

Tetra- und Pentaquarks sind nicht völlig neu

Bis vor einigen Jahren war bekannt, dass sich Quarks typischerweise in Zweier- oder Dreiergruppen zu Hadronen verbinden. Bereits seit Jahrzehnten hatten Physiker in Modellen errechnet, dass es auch Teilchen mit vier oder fünf Quarks geben muss. 

Auf die ersten Tetraquarks waren japanische und chinesische Forscher 2013 gestoßen. Am CERN konnten diese dann ein Jahr später auch gezeigt werden. Diese Tetraquarks bestanden aber aus anderen Quarks, als das jetzt gefundene Teilchen.

"Teilchen, die aus vier Quarks bestehen, sind schon exotisch. Das, was wir jetzt entdeckt haben, ist das erste, das aus vier schweren Quarks derselben Art besteht", erklärt Giovanni Passaleva, ein ehemaliger Sprecher des LHCb Projektes. "Bisher hatte das LHCb und andere Experimente nur Tetraquarks mit höchstens zwei schweren Quarks nachweisen können – und keine mit mehr als zwei Quarks desselben Typs."

2017 war es den LHCb-Teilchenphysikern übrigens gelungen, auch ein Pentaquark zu finden. Das ist ein Teilchen aus vier Quarks und einem Anti-Quark. 

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Welche Kraft hält die Atome zusammen?

Pentaquarks und Tetraquarks können den Physikern helfen, eine der vier Grundkräfte der Physik besser zu verstehen: Die starke Kernkraft, die die Atome in sich zusammenhält.

Sie bindet Protonen, Neutronen und Atomkerne, aus denen die uns bekannte Materie besteht.

Die Entdeckung des Teilchens könne helfen, Modelle zu entwickeln, um "die Natur ordinärer Masseteilchen wie Protonen oder Neutronen zu erklären", fügte Passalevas Nachfolger Chris Parkes hinzu.

Riesiges Crash-Test Center für winzigste Teilchen

Die Forscher entdecken die neuartigen Teilchen – etwa auch das als Gottesteilchen bekannt gewordene Higgs-Boson , indem sie in einem riesigen ringförmigen Beschleuniger  Teilchen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit in einem starken Magnetfeld aufeinanderprallen lassen. Dabei zerfallen diese in ihre Einzelteile.

Mit gigantischen Detektoren – ähnlich den Photosensoren einer Digitalkamera – zeichnen die Physiker dann auf, in welche Richtung und wie weit die Fragmente der Atome auseinanderfliegen. Aus diesen Daten können sie die Eigenschaften der Elementarteilchen rekonstruieren. 

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