Wie Elementarteilchen gefunden werden

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Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

Der Spiegel berichtete vorgestern, dass an zwei Teilchenbeschleunigern ein neues Teilchen entdeckt worden ist, und zitiert dabei Mutmaßungen, dass es sich um ein gebundenes System von vier sogenannten Quarks handeln könnte. Den Subatomaren Teilchen, die nie einzeln, sondern bisher immer nur in Paaren oder zu dritt auftraten. Anstatt mich an dieser Spekulation zu beteiligen, finde ich es spannend, mal genau hinzusehen, wie solch ein neues Elementarteilchen zu finden ist. Was haben die Physikerinnen und Physiker angestellt, um das Ergebnis zu bekommen.

Gibt es einen gebundenen Zustand von vier Quarks? Auf eine neu gefundene Resonanz könnte diese Beschreibung passen.

Bei beiden Experimenten, einem am chinesischenDetektorBESIII und einem am japanischen Belle-Detektor, werden negativ geladene Elektronen mit ihren Antiteilchen, den positiv geladenen Positronen kollidiert. Zusammengenommen haben diese beiden Teilchen also keine Ladung, was die erzeugten Zustände besonders einfach macht. Und weil Elektronen und Positronen wirklich elementare Teilchen sind, das eine Antiteilchen des anderen, können sie einander in einer Kollision vollständig auslöschen und ein reines neues Teilchen bilden.

Die Energie beider Experimente war genau so gewählt, dass ein bestimmtes Teilchen mit guter Wahrscheinlichkeit erzeugt wird, die sogenannte X(4260)-Resonanz. Resonanz nennt man Teilchen, die nur extrem kurz existieren und praktisch sofort in langlebigere Teilchen weiter zerfallen. X heißt diese spezielle Resonanz, weil ihr genauer Charakter unbekannt ist. Und die Zahl 4260 gibt die Energie in Megaelektronenvolt (MeV) an.

Die rätselhafte Resonanz wurde am SLAC in Kalifornien entdeckt und es ist kein Zufall, dass die hier genannten Experimente genau darauf getrimmt waren. Die Experimentatoren wollten diese Resonanz ausgiebig untersuchen. Ab und zu zerfällt die Resonanz in drei Teilchen: Dem ungeladenen J/ψ-Meson und einem Paar von sogenannten Pionen, von denen eines positiv und eines negativ geladen ist.

Pionen (auch Pi-Mesonen genannt) sind die leichtesten Mesonen und sind relativ stabil. Sie können in Teilchendetektoren direkt nachgewiesen werden.

Das J/ψ-Meson ist ein Teilchen, das wir uns als einen gebunden Zustand zweier Quarks, dem Charm-Quark und dem Anti-Charm-Quark vorstellen können. Auch dieses Teilchen ist nicht stabil. Es zerfällt mit je 6% Wahrscheinlichkeit in entweder ein Paar aus Elektron und Positron oder in ein Paar aus Myon und Anti-Myon, den schwereren Geschwistern von Elektron und Positron.

Erwartet wurde also ein Prozess aus drei Stufen:

1) Bei der Kollision von Elektron und Positron wird ein Teilchen der Resonanz X(4260) erzeugt.

2) Die Resonanz zerfällt in zwei gegensätzlich geladene Pionen und ein J/ψ-Meson

3) Das J/ψ-Meson zerfällt weiter in Elektron und Positron oder Myon und Anti-Myon.

Insgesamt (zählen Sie gerne nach) entstehen also vier Teilchen. Zwei negativ geladene und zwei Positiv geladene. Um den Prozess nachzuweisen, müssen diese vier Teilchen im Detektor nachgewiesen werden.

Teilchendetektoren bestehen aus Spurdetektoren, in denen geladene Teilchen eine durch ein Magnetfeld gekrümmte Spur hinterlassen. Die Ladung zeigt sich hierbei in der Krümmungsrichtung. In einem Magnetfeld krümmen sich Spuren positiver Ladung anders herum als Spuren negativ geladener Teilchen. Hinter den Spurdetektoren sind sogenannte Kalorimeter, Energiemesser. Hier bleiben die Teilchen unter Erzeugung ganzer Teilchenschauer stecken und ihre Energie kann gemessen werden. Elektronen bleiben dabei zuerst stecken, weil sie sehr leicht sind. Dann bleiben die Pionen stecken, die schwer sind und mit starker Kernkraft wechselwirken. Zuletzt bleiben Myonen und ihre Antiteilchen stecken. Diese sind auch schwer, aber nicht so leicht zu stoppen, weil sie nur schwach und elektromagnetisch Wechselwirken, Kurz: Daraus, wo ein Teilchen steckenbleibt, lässt sich abschätzen, was es ist.

Der hier untersuchte Zerfall hat eine eindeutige Signatur (so nennen Teilchenphysikerinnen und -physiker das beobachtete Muster);

1) es muss ein Paar von Elektron-Positron oder Myon-Antimyon gefunden werden, dessen Gesamtenergie genau der bekannten Masse des J/ψ-Mesons entspricht, aus dessen Zerfall sie entstanden sind.

2) Es muss außerdem ein Paar von entgegengesetzt geladenen Pionen gefunden werden.

3) Die Gesamtenergie aller vier gefundenen Teilchen muss der Energie der Resonanz X(4260) entsprechen.

Diese Signatur wurde in beiden Experimenten viele Male gefunden. Oft genug, um sie genauer zu untersuchen. Die Forscherinnen und Forscher haben also alle Punkte nochmal anders sortiert um weitere Regelmäßigkeiten zu entdecken. Und zwar haben sie für jedes Ereignis einmal die Energiesumme von J/ψ-Meson und dem positiven Pion, einmal die Energiesumme von J/ψ-Meson und dem negativem Pion und einmal die Energiesumme beider Pionen errechnet und in einem Diagramm eingetragen. Dort haben sie nachgeschaut, wie oft welche Energieverteilung auftritt. Dabei ist aufgefallen, dass die Energie von einem Pion und dem J/ψ-Meson häufig sehr genau 3900 Megaelektronenvolt beträgt. Das ist ein klares Indiz, dass es hier eine weitere Resonanz gibt, die die Forschergruppe am BESIII-Experiment Zc(3900) getauft hat. Es gab also oft einen vierstufigen Prozess:

1) Bei der Kollision von Elektron und Positron wird ein Teilchen der Resonanz X(4260) erzeugt.

2) Die Resonanz zerfällt in eine vorher unbekannte, geladene Resonanz Zc(3900) und ein entgegengesetzt geladenes Pion.

3) Die Resonanz Zc(3900) zerfällt in ein geladenes Pion und ein J/ψ-Meson

4) Das J/ψ-Meson zerfällt weiter in Elektron und Positron oder Myon und Anti-Myon.

Der Schritt 2 war neu und zeigt, dass es hier einen interessanten neuen Zustand von Materie gibt. Sollte dieser Zustand im Quarkmodell erklärbar sein, so könnte es sich um einen gebunden Zustand von vier Quarks handeln (zwei Quarks und zwei Antiquarks). Dabei können entweder je ein Quark-Antiquark-Paar deutlich stärker aneinander gebunden sein als die beiden Paare miteinander. Das wäre eine Art von Mesonen-Molekül. Oder der Vier-Quark-Zustand ist fest gebunden. Beide möglichen Teilchenarten nachzurechnen, ist jetzt eine Herausforderung für die theoretische Teilchenphysik. Solange die theoretische Bestätigung nicht gelungen ist, wäre ich mit dem Vier-Quark-Zustand ähnlich vorsichtig, wie mit dem Pentaquark in 2009. Vielleicht ist es ja doch etwas anderes und die Vier-Quark-Zustände bleiben hypothetisch.

Dass diese neue Resonanz eines der gesuchten supersymmetrischen Teilchen ist, ist übrigens ausgeschlossen. Gäbe es ein so leichtes supersymmetrisches Teilchen, das sich einzeln erzeugen lässt, dann wären wir nicht hier. Die Protonen in den Atomkernen wären dann instabil und schon lange zerfallen. Supersymmetrische Teilchen können nur paarweise entstehen und sollten deutlich schwerer sein als diese Resonanz.

 

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".

6 Kommentare

  1. Experimentallogik

    Vielen Dank für die anschauliche Schilderung der Logik von Teilchenbeschleuniger-Experimenten!

    Zwischendurch hatte ich den Eindruck, dass es sich um eine Art exploratives Experiment gehandelt hat – etwa so: Man hat am BESIII einfach mal Positronen und Elektronen verschmolzen und geschaut, was dabei herauskam. Die Messgeräte zeigten häufig 3900 Megaelektronenvolt, also hat man eine Theorie dazu entwickelt.
    Stimmt das so, oder wäre es richtiger zu sagen, dass die Experimente durchgeführt wurden, um eine Theorie, die mit 3900 Megaelektronenvolt zu tun hatte, zu überprüfen?

  2. @Erbloggtes

    Die Wahrheit liegt dazwischen. Tatsächlich musste die Energie von 3900 Megaelektronenvolt nicht hineingesteckt werden. Das Team hat einfach immer die Energie von drei der vier detektierten Teilchen zusammengezählt und dabei eine auffällige Häufung bei 3900 bekommen. Hätte die bei 3700 gelegen, hätten sie das mit derselben Vorgehensweise gesehen.

    Die Summe von Elektronen- und Positronenenergie musste sowie so stets der des J/Psi-Bosons entsprechen.

    Was aber hineingesteckt wurde, war diese eine Signatur. Es wurden gezielt nur Ereignisse herausgefiltert, die diese Vier Teilchen, zwei Pionen und ein zusätzliches Paar enthalten. Andere Signaturen haben die sich für andere Experimente sicher auch angesehen, aber wenn sie die Selektion nach den vier Teilchen nicht vorgenommen hätten, hätten sie dieses Teilchen auch nicht gefunden.

    Jetzt, wo sie es haben, können sie natürlich auch andere mögliche Signaturen suchen.

  3. Resonanz

    Faszinierend, dass Teilchen den Namen “Resonanz” erhalten. Resonanz ist doch in natürlicher Sprache eine Eigenschaft, keine Substanz.
    Anders gesagt: Ein Phänomen, das so kurz auftritt wie so eine “Resonanz”, warum glaubt man eigentlich, dass es sich dabei um ein Teilchen handelt, nicht um ein Ereignis, einen Prozess o.ä.?

  4. Resonanzen

    Anders herum wird ein Schuh daraus.

    Sobald man Quantenmechanik mit Relativitaetstheorie kombiniert (bzw. eigentlich Quantenfeldtheorie) gibt es in der Theorie nur noch Feld-Anregungen bzw. “Resonanzen” (oder auch salopp “Teilchen” genannt). Fuer bestimmte Randbedingungen (z.B. hinreichend kleine Energien) kann man diese Anregungen dann mit dem identifizieren, was man ueblicherweise unter “Teilchen” versteht (insbesondere bleibt deren Zahl im Laufe der Zeit erhalten).

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