Neues Teilchen am CERN entdeckt!

Nein, heute ist nicht der 1. April, sondern der 1. Mai. Und dieser sommerliche Frühling erstaunt uns mit der Meldung, dass am CERN tatsächlich ein neues Teilchen entdeckt wurde!

Kein Higgs, kein SUSY-Teilchen, sondern Xi*b0
Das neue Teilchen besteht aus drei Quarks und ist damit ein Baryon. Man könnte es das „USB-Teilchen“ nennen, weil es sich aus den drei Quarks up, strange und bottom (oder beauty) zusammensetzt. Teilchenphysiker nennen es Xi*b0. Durch die drittelzahlige Vielfache der Elementarladung von up (+2/3), strange (-1/3) und bottom (-1/3) wird das neue Teilchen insgesamt elektrisch neutral – deshalb die hochgestellte Null. Seine Masse wurde zu 5945,0 MeV bestimmt, also fast sechsmal schwerer als ein Proton oder fast so schwer wie ein Lithium-Atom. Es hat einen Spin von 3/2, ist demnach ein Fermion.

Abb. 1: Darstellung des Events mit neu entstandenen Zerfallsprodukten (Quelle: CMS / CERN)

Zum Namen
Der * bedeutet, dass das Teilchen angeregt ist. Der Index b steht für das enthaltene b-Quark. Die Xib-Baryonen wurden im Grundzustand vorher schon beobachtet. Neben dem neutralen Xib0, das aus den Quarks usb besteht, gibt es die Variante, die sich aus den Quarks dbs zusammensetzt. Da d im Gegensatz zu u die Ladung -1/3 e hat, summiert sich dann die Ladung zu -e auf. Dieses Teilchen heißt Xib.
In den Abbildungen steht „PV“ für particle primary vertex und meint den Entstehungsort des neuen Teilchens. 

Warum ließ der Nachweis so lange auf sich warten?
Die Schwierigkeit bestand darin, dieses sehr instabile Baryon herzustellen und anhand seiner Zerfallsprodukte nachzuweisen. Die Quarks strange und bottom sind sehr schwer und daher zerfallen Teilchen, die sie enthalten, sehr schnell. 

Abb. 2: Schema zur Zerfallskette (Quelle: CMS / CERN)

Komplexe Zerfallskette
Abbildung 1 zeigt wie so ein Ereignis im Detektorvolumen ausschaut, allerdings nur die hier wesentlichen Zerfallsprodukte. Abbildung 2 illustriert die komplexe Zerfallskette: Das neutrale Xib0 zerfällt in sein negatives Pendant und ein positiv geladenes Pion. Daraus gehen das J/Psi-Meson und andere Xi-Baryonen. Schließlich bilden sich Myonen und Lambda-Baryonen. Ganz am Ende der Kaskade stehen zwei Myonen, drei Pionen und ein Proton.

Wer war’s?
Dieser Erfolg der B-Physik gelang Teilchenphysikern der CMS-Kollaboration, die am CERN das Großexperiment CMS betreuen, das eines von vier Großexperimenten ist, das in den Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) eingebaut ist

Mehr in der Veröffentlichung
Das wissenschaftliche Paper mit vielen Details gibt es als preprint auf dem arxiv und erscheint im Fachjournal Physical Review Letters.

 

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Die Astronomie ist faszinierend und schön – und wichtig. Diese interdisziplinäre Naturwissenschaft finde ich so spannend, dass ich sie zu meinem Beruf gemacht habe. Ich bin promovierter Astrophysiker und befasse mich in meiner Forschungsarbeit vor allem mit Schwarzen Löchern und Allgemeiner Relativitätstheorie. Aktuell bin ich der Scientific Manager im Exzellenzcluster Universe der Technischen Universität München. In dieser Tätigkeit im Forschungsmanagement koordiniere ich die interdisziplinäre, physikalische Forschung in einem Institut mit dem Ziel, Ursprung und Entwicklung des Universums als Ganzes zu verstehen. Besonders wichtig war mir schon immer eine Vermittlung der astronomischen Erkenntnisse an eine breite Öffentlichkeit. Es macht einfach Spaß, die Faszination am Sternenhimmel und an den vielen erstaunlichen Dinge, die da oben geschehen, zu teilen. Daher schreibe ich Artikel (print, online) und Bücher, halte öffentliche Vorträge, besuche Schulen und veranstalte Lehrerfortbildungen zur Astronomie, Kosmologie und Relativitätstheorie. Ich schätze es sehr, in meinem Blog "Einsteins Kosmos" in den KosmoLogs auf aktuelle Ereignisse reagieren oder auch einfach meine Meinung abgeben zu können. Andreas Müller

6 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. One Question at a time

    Jedesmal die Frage ob das reale Teilchen genau die Eigenschaften hat, welche von ihm erwartet werden.
    Wie Real ist ein Teilchen, das sofort wiederzerfällt? Sehr real für Teilchen Physiker, kaum bedeutsam für unseren Alltag. Aber was ist schon bedeutsam für unseren Alltag? Wer kümmert sich darum aus was er zusammengesetzt ist? Und was ändert das Wissen darüber?

  2. @M. Holzherr

    Das sind berechtigte, kritische Fragen, Herr Holzherr.

    Im Gegenzug möchte ich fragen: Wie real ist ein Gedanke, der einem wie ein Geistesblitz auf ähnlicher kurzer Zeitskala wie ein Teilchenzerfall kommt und wieder vergeht. Sehr real! Vielleicht sogar ein so wichtiger Gedanke, dass er einen großen Einfluss auf Leben und Planen hat.

    Zeitintervalle sind immer sehr subjektiv. Ein Menschenleben erscheint uns doch recht lange, aber was sind 100 Jahre gegenüber den 4,5 Mrd. Jahren Erd- und Sonnenalter? Für eine Eintagsfliege ist ein Tag ihr ganzes Leben. Die kurzzeitigen Prozesse in der Teilchenwelt haben da genauso ihre Berechtigung, waren sie u.a. im frühen Universum immerhin lang genug, um entscheidend die kosmische Entwicklung zu beeinflussen.

    Unser Wissen um die Zusammensetzung der Materie ist von fundamentaler Bedeutung. Insbesondere ist es außerordentlich wichtig, die Gültigkeit des Standardmodells der Teilchenphysik in allen Grenzbereichen auszuloten. Dort hinein fällt auch die aktuelle Entdeckung zu den Xi-Baryonen.

    Wer weiß, welche Anwendung aus diesen Erkenntnissen in 100 Jahren erwachsen mag?

    Beste Grüße,
    Andreas Müller

  3. Majestix und die CERN-Forscher

    Hier ein Geistesblitz von mir:

    Majestix, der Häuptling des Gallierdorfes leidet unter der Angst, daß ihm der Himmel auf den Kopf fallen könnte! Doch, wie er selbst sagt: „Es ist noch nicht aller Tage Abend.“

    Die CERN-Forscher (gewisse mindestens) leiden unter der Angst, daß das nächste Experiment das Standardmodell zum Einsturz bringt . Doch bis jetzt war noch nicht aller Tage Abend für das Standardmodell.

  4. @Holzherr : Wirklich?

    Die CERN-Forscher (gewisse mindestens) leiden unter der Angst, daß das nächste Experiment das Standardmodell zum Einsturz bringt .

    Ich glaube ja nicht das die davor Angst haben.

    1. Ein Ergebnis da nicht den Vorhersagen entspricht ist immer noch ein Ergebnis.

    2. Es wird doch richtig spannend wenn das Standardmodell zum Einsturz gebracht wird. Dann gibts neue Physik und es gibt für Generationen richtig was zu tun:-)

    Hajo

  5. Von der Liebe und des Lebens Mai …

    Andreas Müller schrieb (01. Mai 2012, 03:43):
    > In den Abbildungen steht „PV“ für particle vertex und meint den Entstehungsort des neuen Teilchens.

    Zumindest in http://de.arxiv.org/…iv/pdf/1204/1204.5955v1.pdf (S. 1 ff.) steht

    PV“ für „primary vertex„.

    (Haben die CMS-Kollaborateure eigentlich immer noch die falsche Abszissen-Beschriftung in Fig. 2 (a)?)

    > Die Quarks strange und bottom sind sehr schwer und daher zerfallen Teilchen, die sie enthalten, sehr schnell.

    Natürlich zerfällt J/psi vergleichsweise noch schneller bzw. hat eine vergleichsweise noch viel geringere mittlere Lebensdauer. (Insofern ist das Zerfallsketten-Schema Abb. 2 durchaus
    genau.)
    > Das neutrale Xib0 zerfällt in sein negatives Pendant und […]

    Eher: Das neutrale Xib0* zerfällt in ein (negatives) BSD-Teilchen im Grundzustand und …

    > […] ein positiv geladenes Pion. Daraus gehen das J/Psi-Meson und andere Xi-Baryonen.

    Jeweils nur ein Xi-Baryon. Usw.

    > Ganz am Ende der Kaskade stehen zwei Myonen, drei Pionen und ein Proton.

    Nicht ganz vernachlässigen sollte man allerdings die zusätzlichen Zerfallsprodukte bzw. Detektorspuren, die (zusammen mit dem pi+PV) den „PV“ überhaupt erst kenntlich machen, denn die Rekonstruktion bzw. Auswahl von Xib-Kandidaten nimmt darauf Bezug (Stichwort „kinematic vertex fit„).

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