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CERN-Forscher weisen Pentaquark-Zustände nach

In den vergangenen Jahren gab es mehrere vermeintliche Entdeckungen von Elementarteilchenkonstellationen bestehend aus fünf Quarks, die sich jedoch nicht reproduzieren ließen. CERN-Forscher sind sich nun sicher, sie tatsächlich dingfest gemacht zu haben.

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CERN-Forscher weisen Pentaquark nach

Künstlerische Darstellung der nachgewiesenen Pc-Zustände bestehend aus zwei Up-, einem Down-, einem Charm- und einem Anticharm-Quark.

(Bild: CERN)

Die Forscher des LHCb-Experiments am Europäischen Kernforschungszentrum (CERN) sind sich ziemlich sicher, Pentaquarks nachgewiesen zu haben. Diese aus fünf Quarks – genauer vier Quarks und einem Antiquark – bestehenden Zustände wurden theoretisch bereits vorhergesagt.

Bei der Auswertung der Energiespektren des Zerfallskanals eines Baryons Λ0b in ein Proton, J/ψ- und K-, stellten die Forschern fest, dass an dem Zerfall Zwischenzustände beteiligt sein müssen, die sie als Pc (4450)+ und Pc (4380)+ identifizierten (in Klammern steht die ungefähre Masse in MeV). Als Signifikanz geben die Forscher 9-σ an – genug für eine formale Entdeckung. Beide Zustände bestehen demnach aus zwei Up-, einen Down-, einem Charm- und einem Anticharm-Quark. Der Kombination aus Charm und Anticharm (Charmonium) haben die Pentaquark-Zustände das kleine c unten am P zu verdanken.

Der Pentaquark-Zustand Pc (4450)+ ist deutlich als Spitze zu erkennen, während der leichtere benötigt wird, um die Daten vollständig zu beschreiben.

"Das Pentaquark ist nicht einfach irgendein Teilchen", erklärte LHCb-Sprecher Guy Wilkinson. "Es stellt eine Möglichkeit dar, Quarks – also die [gemäß dem Standardmodell der Elementarteilchen] fundamentalen Bestandteile von Protonen und Neutronen – in einem Muster zu vereinigen, das in der fünfzigjährigen Geschichte experimenteller Suche nach Elementarteilchen noch nie beobachtet wurde."

Gemäß dem vom US-Forscher Murray Gell-Mann aufgestellten Quarkmodell sind "Baryonen" wie Protonen und Neutronen aus drei drittelzahlig geladenen Quarks zusammengesetzt, während Mesonen aus Quark-Antiquark-Paaren bestehen. Das Modell lässt prinzipiell auch andere Konstellationen wie Pentaquarks zu. Auch Zustände mit sechs und mehr Quarks seien theoretisch möglich. Im vergangenen Jahr sei das Tetraquark am LHC bestätigt worden.

"Die jüngste Beobachtung ermöglicht neue Einblicke in die starken Wechselwirkungen und Bindungen der Quarks in Teilchen wie Protonen und Neutronen. Davon verstehen wir bislang noch zu wenig", erläuterte der Physiker Prof. Ulrich Uwer von der Universität Heidelberg. Er ist Sprecher der deutschen Gruppen am LHCb-Experiment, war aber an den Pentaquark-Messungen nicht beteiligt.

"Das Pentaquark ist ein sehr kurzlebiger Zustand, der schnell in kleinere Teilchen zerfällt wie das aus drei Quarks bestehende Proton." Ob die Quarks in den Pentaquarks eng oder nur lose wie eine Art "Meson-Baryon-Moleküle" gebunden sind, ist bisher unklar. (vza)

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