Der Peak im Spektrum der Zerfallsprodukte eines Tetraquarks in Mesonen, der die Registrierung eines Teilchens anzeigt
Im LHCb-Experiment des Large Hadron Collider wurde ein neues Teilchen entdeckt – das Tcc+-Tetraquark, das aus zwei bezauberten Quarks und zwei leichten Antiquarks – Upper und Lower – besteht. Es ist das erste zuverlässig entdeckte Teilchen dieser Art, das zwei Charmed Quarks anstelle eines Quark-Antiquark-Paares enthält, und das stabilste gefundene exotische Hadron. Die Entdeckung der Physik wurde auf einer Online-Konferenz der European Physical Society angekündigt, über das Ergebnis wird kurz auf der Website des Budker-Instituts für Kernphysik berichtet, dessen Wissenschaftler die Arbeit mitverfasst haben.
Nach modernen Konzepten bestehen alle stark wechselwirkenden Elementarteilchen - Hadronen - aus sechs Arten von Quarks (und entsprechenden Antiquarks). Gleichzeitig beobachten wir in der Natur Baryonen – Systeme aus drei Quarks oder drei Antiquarks – dazu gehören ein Proton und ein Neutron, und Mesonen – Quark-Antiquark-Paare – wie sie beispielsweise entstehen, wenn kosmische Strahlung mit der Erdatmosphäre wechselwirkt.
Doch Mitte der sechziger Jahre, noch in der Phase der Erstellung des Quarkmodells, sagte sein Autor Murray Gell-Mann die Existenz komplexer - exotischer Teilchen aufgrund der Einbettung von Quark-Antiquark-Paaren in die Baryonen- oder Mesonenstruktur voraus (Für weitere Details siehe das Material „Der achtfache Pfad des Universums“).
Ein halbes Jahrhundert nach der Gell-Mann-Vorhersage haben Wissenschaftler 2014 im LHCb-Experiment erstmals ein solches Teilchen – das Tetraquark Z (4430) – zuverlässig beobachtet. Obwohl seither zwei Dutzend exotische Hadronen entdeckt wurden, ist es den Physikern noch nicht gelungen, ihre Struktur endgültig zu verstehen.
Nun hat die LHCb-Kollaboration die Entdeckung eines neuen Tetraquarks - Tcc + - bekannt gegeben, das zwei c-Quarks enthält (relativ schwer, mit einer Masse in der Größenordnung von Gigaelektronenvolt - vergleichbar mit der Masse eines Protons), sowie u- und d-Antiquarks (mit Massen von drei Größenordnungen weniger, in Megaelektronenvolt). Diese Zusammensetzung unterscheidet das Teilchen von zuvor entdeckten Tetraquarks – zuverlässig beobachtete Teilchen hatten bis vor kurzem einen versteckten Charme, das heißt, sie enthielten gleichzeitig ein c-Quark und ein c-Antiquark.
Zur Registrierung nutzten Physiker Daten aus der ersten und zweiten Saison des Colliders, die die Detektoren von 2011 bis 2018 sammelten. Die Forscher suchten bei Proton-Proton-Kollisionen nach einem neuen Teilchen durch dessen Zerfall in ein Paar D0-Mesonen und ein π + -Meson, mit dem weiteren Zerfall des ersten in π + - und K - Mesonen.
Schematische Darstellung der Entstehung eines Tetraquarks bei Proton-Proton-Kollisionen und anschließendem Zerfall in Mesonen
Als Ergebnis konnten Physiker etwa zweihundert Ereignisse der Tcc + -Produktion registrieren und die Entdeckung dieses Teilchens mit einer Signifikanz von mehr als 10 Standardabweichungen bestätigen (was die Möglichkeit einer zufälligen Fluktuation praktisch ausschließt, die die Forscher annehmen würden für ein Signal).
Wie die Autoren anmerken, hat das neue Teilchen eine relativ schmale Zerfallsbreite – nur etwa ein halbes Megaelektronenvolt bei typischen Werten von zehn bis hundert Megaelektronenvolt – d. h. Tcc + existiert im Durchschnitt um Größenordnungen länger als ähnliche Quarkstrukturen und wird derzeit zum stabilsten der bekannten exotischen Hadronen. Es gibt theoretische Gründe zu der Annahme, dass diese Eigenschaft genau auf das Vorhandensein von zwei schweren Quarks im Teilchen zurückzuführen ist.
Eine weitere interessante Eigenschaft eines Teilchens ist die Nähe seiner Masse zur Masse eines Paares von D-Mesonen (ein neutrales und ein angeregtes positiv geladenes). Bei einer Tetraquark-Masse von fast vier Gigaelektronenvolt betrug dieser Unterschied nach vorläufigen Berechnungen nur Zehntel Megaelektronenvolt - weniger als ein Hundertstel Prozent, und mit einer Signifikanz von 4, 3σ ist ein Tetraquark leichter als ein Paar D -Mesonen. Der Grund für diese Koinzidenz ist derzeit nicht klar.
Zudem sind die Zerfallsprodukte von Tcc + relativ einfach zu detektieren – zusammen mit der Stabilität des Tetraquarks wird dies weitere genaue Messungen der Teilcheneigenschaften ermöglichen.
Forscher interessieren sich insbesondere für die interne Struktur des Systems. Es ist heute eindeutig nicht klar, ob es atomartig ist – d. h. schwere Quarks sind kompakt im Zentrum gepackt und von einer Wolke leichter Antiquarks umgeben oder eher einem Molekül ähnlich – d. h. es stellt ein Paar schwerer Mesonen dar (jedes enthält ein c-Quark und ein leichtes Antiquark), die etwa das Zehnfache ihrer eigenen Größe voneinander entfernt sind.
Auch die Entdeckung von Tcc + wird bei der Suche nach einem ähnlichen Teilchen helfen - einem Tetraquark, das anstelle von c-Quarks ein Paar b-Quarks (noch schwerer) enthält. Es wird erwartet, dass ein solches Teilchen durch die Mechanismen der starken Wechselwirkung praktisch nicht zerfallen kann, da seine Masse geringer ist als die Masse möglicher Zerfallsprodukte - dies zwingt das Tetraquark zum Zerfall in der schwachen Wechselwirkung und erhöht seine Lebensdauer um mehrere Größenordnungen.
Zuvor haben wir darüber gesprochen, wie Physiker ein vollständig verzaubertes Tetraquark entdeckten. Wie exotische Hadronen entdeckt werden, erfahren Sie in unserem Material "Tetraquarks sind der Wilde Westen".
