Pentaquark: Wie CERN Entdeckungen macht

BLOG: Quantenwelt

Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

Am größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist wieder etwas interessantes Entdeckt worden. Das Pentaquark, ein Zustand aus vier Quarks und einem Antiquark. Nach solchen Zuständen suchen die Teilchenphysiker schon lange, ich habe dazu 2011 gebloggt. Damals war die Datenlage aber zu mager um von einer Entdeckung zu sprechen. Nun berichtet des Experiment LHCb von der eindeutigen Entdeckung eines Pentaquarks und ich kann endlich meine Homepage um weitere Quarkteilchen erweitern.

LHCb ist eines der vier Experimente am LHC und darauf spezialisiert, den Zerfall von Teilchen zu untersuchen, die ein Bottom-Quark (B-Quark) enthalten. Eines dieser Teilchen ist das Λb (Lambda-b-Teilchen). Es ist dem Neutron, das sich in jedem Atomkern befindet, sehr ähnlich. Das Neutron ist aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks aufgebaut und zerfällt im Schnitt nach einer Viertel Stunde durch Beta-Zerfall.1 Das Lambda-b enthält ebenfalls ein Up-Quark und ein Down-Quark, aber das zweite Down-Quark ist durch ein Bottom-Quark ersetzt. Das Bottom-Quark ist dem Down-Quark ähnlich, aber es ist sehr viel schwerer und hat mehr Zerfallsmöglichkeiten. Dadurch ist auch das Lambda-b-Teilchen fast sechs mal so schwer wie das Neutron und kann in viele verschiedene Teilchen zerfallen.

Zerfall eines Lambda-b-Teilchens
Zerfall eines Lanbda-b-Teilchens in zwei Myonen, ein Proton und ein Kaon am LHCb Experiment. Entnommen von der Website des LHCb-Experiments.

 

Ein solcher Zerfall ist in dem Bild oben dargestellt. Die beiden grün markierten Linien sind die rekonstruierten Bahnen zweier Myonen2, Die rote Linie gibt die Bahn eines negativ geladenen Kaons wieder und die magenta Linie zeigt ein gewöhnliches Proton, das geladene Teilchen im Atomkern. Alle diese vier Teilchen sind relativ langlebig und elektrisch geladen, so dass sie leicht in einem Teilchendetektor entdeckt werden können.

Bei genauer Betrachtung lässt sich entdecken, dass die eine grüne Linie etwas nach rechts gebogen ist, die andere nach links. Das liegt daran, dass die Myonen unterschiedlich geladen sind. Der gesamte Teilchendetekter befindet sich ein einem Magneten, der geladene Teilchen auf Kreisbahnen zwingt. Damit kann die Masse der Teilchen bestimmt werden. Ebenso ist die Kaon-Linie nach rechts und die Proton-Linie nach links gebogen, weil das Kaon negativ und das Proton positiv geladen ist.

Zerfall eines Lambda-b-Teilchens (Detail)
Credit: LHCb Detail des Zerfalls. Das Lambda-b-Teilchens bewegt sich ein paar Zentimeter vom Zentrum des Detektors weg bevor es zerfällt.

Die farbigen Klötze und Kreuze im Bild zeigen, Wo überall in den Detektoren Energie deponiert wurde. Aus diesen Daten lässt sich die Teilchenenergie berechnen. Außer den vier farbigen gibt es einige graue Bahnen, die andere Elementarteilchen zeigen. Diese Teilchen haben mit dem Zerfall des Lambda-b-Teilchen nichts zu tun.3 Woher die Forscherinnen und Forscher das wissen, sehen Sie im Bild rechts: Die grauen Linien gehen alle vom Kollisionspunkt der Protonenstrahlen des LHC aus. Nur die vier farbigen Linien starten am Zerfallspunkt des Lambda-b-Teilchens einige Zentimeter entfernt.

Ob es hier einen Pentaquark-Zustand gegeben hat, können wir nicht sehen. Dazu braucht es eine Statistik vieler solcher Zerfälle. Im Prinzip funktioniert das genau so, wie ich es vor zwei Jahren anhand des Suche nach einem Vier-Quark-Zustand beschrieben habe4:

Bei der Auswertung der Daten bestimmen die Forscherinnen und Forscher nicht nur Masse, Impuls und Energie jedes einzelnen Teilchens, sie bilden auch Summen der Schwerpunktenergie von Gruppen von Teilchen. So kommt heraus, dass die Gesamtenergie aller vier Teilchen immer nahe an dem Wert für die Lambda-b-Masse liegt. Schließlich stammen sie aus dem Zerfall dieses Teilchens und bekommen nur daher die Energie.

Bilden die Forscher_innen eine Summe aus den beiden Myonen-Massen, so kommt auch immer derselbe Wert heraus. Das ist die Masse eines J/ψ-Mesons (J-Psi-Teilchen). Diese Teilchen entstehen hier als Zwischenprodukt und Zerfallen in ein Myon-Antimyon-Paar.

Zerfall in Lambda und J/Psi
Der gewöhnliche Zerfall.

Das ist alles noch nicht überraschend, denn genau nach diesen Kriterien – Zerfall eines Lambda-b und auftreten zweier Myonen aus dem J/ψ-Mesons-Zerfall – sind die Ereignisse ausgesucht. Die Überraschung gab es, als die Energiesumme von drei Teilchen, nämlich Proton und beide Myonen betrachtet wurde. Klassisch sollte das Lambda-b zunächst in ein J/ψ-Meson und ein anderes Lambda-Teilchen zerfallen (rechts im Bild). Dieses andere Lambda-Teilchen zerfällt dann weiter in ein Proton und ein Kaon. Wenn das so ist, muss die Energie von Myonen und Proton zusammen recht  breit verteilt sein, denn sie stammen ja aus unterschiedlichen Vorgängen.

Zerfall in ein Pentaquark
Der Zerfall in ein Pentaquark

Die Physikerinnen und Physiker fanden aber neben dieser breiten Massen-Verteilung noch eine scharfe Linie bei einer Energie von 4450 Megaelektronenvolt. Das ist eine Resonanz, ein extrem kurzlebiges Teilchen. Es muss einen Vorgang gegeben haben, bei dem zunächst das Kaon abgespalten wurde und für kurze Zeit ein Teilchen existierte, das dann in Proton und J/ψ-Meson zerfallen ist (links im Bild).

Der Pentaquark-Zustand hat nur sehr kurz existiert und wird PC genannt. Das Plus bedeutet, dass es sich um ein einfach positiv geladenes Teilchen handelt.

Auf der Quark-Ebene passiert hier immer dasselbe: Die schwache Kernkraft, symbolisiert durch die Wellenlinie und das W-Boson, wandet das Bottom-Quark in ein leichteres Charm-Quark um. Dabei erzeugt sie ein einfach negativ geladenes Quark-Antiquark-Paar bestehend aus einem Strange- und einem Anticharm-Quark. Das negative W-Boson, das hier in Aktion tritt, kann nur solche Quark-Antiquark-Paare erzeugen, die auch negativ geladen sind.

Erst was dann passiert ist in den beiden Prozessen unterschiedlich. Im konventionellen Zerfall (Bild a) finden sich das Charm und das Anticharm-Quark zum J/ψ-Meson zusammen und die anderen Quarks bilden das Lambda-Teilchen. Dieses zerfällt erst später unter Bildung eines Up-Antiup-Quark-Paares5 zu einem Proton und einem Kaon.

Im zweiten Fall (b) geschieht diese Paarbildung sofort und das Kaon wird gleich abgespalten. Zurück bleibt für kurze Zeit der Pentaquark-Zustand aus zwei Up-Quarks, einem Down-Quark und einem Charm-Antischarm-Paar. Dieses Pentaquark ist gerade lang genug stabil um für eine scharfe Energie dieses Fünf-Quark-Paketes zu sorgen. Es zerfällt ohne Neubildung von Quarks in Proton und J/ψ-Meson.

Beide Prozesse (a) und (b) führen letztlich zu denselben Endzuständen, können aber in der energetischen Analyse des Vorgangs voneinander unterschieden werden. Wichtig sind solche Prozesse, weil sie schwache Kernkraft und die starkte Kernkraft enthalten. Die schwache Kernkraft ist als einzige der Grundkräfte nicht symmetrisch gegen Spiegel- und Ladungssymmetrie. Diese sogenannte cp-Asymmetrie wird schwerpunktmäßig am LHCb untersucht und könnte dafür verantwortlich sein, dass es unsere Welt aus Materie und wenig Antimaterie gibt. Die starke Kernkraft ist für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich. Die Vermessung von Pentaquark-Zuständen kann helfen die Modelle zu verbessern, mit denen Stabilität und Lebensdauer von Elementarteilchen und Atomkernen berechnet werden können.

Anmerkungen:
1. Wenn es nicht im Kernverband daran gehindert wird.
2. Ein Myon ist ein schweres Elektron. Eigentlich handelt es sich hier um ein Myon und ein Antimyon, aber darauf komme ich später im Text zurück.
3. Dieser Hintergrund von unwichtigen Teilchen bei jeder Kollision ist der Grund, warum die Teilchenphysiker und -physikerinnen gern einen großen Elektron-Positron-Beschleuniger, den International Linear Collider hätten.
4. Übrigens war LHCb auch bei dieser Suche erfolgreich. Im April 2014 haben sie davon berichtet.
5. Solche neutralen Quark-Antiquark-Paare können einfach so entstehen, wenn die Energie dazu vorhanden ist.
Joachim Schulz

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

Schreibe einen Kommentar