Ovaler Aufbau einer großen, langgezogenen Maschine in einer Halle.

Exotische Hadronen

Protonen und Neutronen sind keine Elementarteilchen, denn sie sind aus jeweils drei Quarks zusammengesetzt. Ebenso gibt es Partikel aus zwei Quarks. Bis vor wenigen Jahren waren dies alle bekannten Varianten der sogenannten hadronischen Materie aus Quarks. Doch inzwischen gibt es starke Hinweise auf weitere Varianten. Was der Nachweis von Teilchen aus vier und sechs Quarks für die Teilchenphysik bedeuten und wie Experiment und Theorie mit den exotischen Teilchen umgehen, erklärt Alfons Khoukaz von der Universität Münster.

Nicht alles, was umgangssprachlich als „Teilchen“ gehandelt wird, ist auch im physikalischen Sinne ein echtes Elementarteilchen, das sich nicht mehr teilen lässt. So bestehen Atome etwa aus einem Atomkern und einer Hülle aus Elektronen. Während die Elektronen unteilbare Elementarteilchen sind, besteht der Atomkern selbst aus vielen zusammengesetzten Teilchen:

Porträt eines lächelnden Mannes in einem karierten Hemd.
Alfons Khoukaz

Alfons Khoukaz: „Bei der Materie, die uns tagtäglich umgibt, wenn wir also unseren Schreibtisch anschauen, ist die schwere Materie im Prinzip gegeben aus den Baryonen. Das heißt, hier spielen natürlich die Protonen und Neutronen eine große Rolle, die dann letztendlich die Atomkerne bilden, und die Atomkerne wiederum machen die Hauptmasse der Materie aus, die wir tagtäglich um uns herum haben.“

Proton und Neutron haben mit der ganzen Teilchenklasse der sogenannten Hadronen gemein, dass sie aus kleineren Teilchen namens Quarks zusammengesetzt sind. Diese wichtige Eigenschaft der Bausteine der Atomkerne wurde erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entdeckt – und zwar mithilfe von Teilchenbeschleunigern in sogenannten Streuexperimenten.

„Das kann man sich so vorstellen, dass man mit einem überdimensionalen Mikroskop in ein Proton hineinschaut  – und dieses überdimensionale Mikroskop, das sind gerade unsere Teilchenbeschleuniger, mit denen man bis auf Quarkebene gucken kann. Man kann feststellen, dass es wirklich solche Teilchen gibt und dass Hadronen, also Protonen zum Beispiel, keine festen Teilchen sind, keine Elementarteilchen in dem Sinne, sondern zusammengesetzte Teilchen.“

Tatsächlich sind solche Streuexperimente an Teilchenbeschleunigern sehr viel komplizierter als der Blick durch ein Mikroskop. Sehr wertvolle Resultate liefern Streuexperimente, wenn die untersuchten Teilchen in einer Kollision mit anderen Teilchen zerstört werden. Manche ihrer Eigenschaften, zum Beispiel der Impuls und die Energie, bleiben dabei erhalten.

„Man kann sich das so vorstellen: Wenn man stellvertretend für ein Teilchen einen Luftballon hat, der zerplatzt, dann hat man zwar den Luftballon nicht mehr, aber man hat die Fetzen dieses Luftballons – und wenn man die wieder aneinanderklebt, dann hat man eine Idee, wie der Luftballon – oder eben das Teilchen – vorher ausgesehen hat.“

Anders als bei einem platzenden Ballon können in Teilchenkollisionen sogar neue Teilchen aus freiwerdender Energie entstehen. In der Summe müssen aber trotzdem alle Produkte einer solchen Kollision den Impuls, die Energie und andere Eigenschaften der Kollisionspartner erhalten.

„Und wenn man diese Zerfallsteilchen hat und ihre Flugrichtung kennt und auch ihre Energien, dann kann man rekonstruieren, welche Gesamtenergie das ursprüngliche Teilchen hatte. Man kann auch rekonstruieren, welchen Impuls dieses ursprüngliche Teilchen hatte, und dann hat man schon gewonnen: Dann kann man über eine ganz einfache mathematische Gleichung ausrechnen, welche Masse dieses Teilchen hatte.“

Einordnung nach der Teilchenmasse

Diese Masse ist oft das entscheidende Kriterium, um bekannte Teilchen voneinander zu unterscheiden oder ganz neue Teilchen auszumachen. Auch die Benennungen der verschiedenen Teilchenklassen orientieren sich daran, mit welchen Massen sie ursprünglich gefunden wurden. So bedeutet der aus dem Griechischen entlehnte Begriff „Baryon“ – unter den alle Teilchen fallen, die aus drei Quarks bestehen – etwa „das Schwere“. Daneben gibt es die Klasse der Mesonen, die nur aus zwei Quarks zusammengesetzt sind. Ihr Name steht für „das Mittelschwere“. Zusammen bilden Baryonen und Mesonen die Hadronen, was in etwa „die Kräftigen“ bedeutet – in Anspielung darauf, dass die Kraft, welche die Quarks verbindet, auch „starke Kraft“ genannt wird. Diese Kraft zu verstehen ist der Schlüssel zu den Hadronen.

„Es gibt eine Theorie, das ist die sogenannte Quantenchromodynamik, die beschreibt unsere Hadronen. Und diese Quarktheorie sagt voraus, dass es zum Beispiel Mesonen und Baryonen geben kann. Diese Theorie gestattet aber im Prinzip auch andere Teilchen.“

Eine Grafik, die insgesamt vier Quark-Bindungszustände darstellt. Links oben eine Blase mit drei gleichfarbigen Kugeln in ihrem Inneren. Sie symbolisiert ein Baryon. Darunter eine Blase mit zwei verschiedenfarbigen Kugeln, die ein Meson zeigt. Rechts oben das neu entdeckte Hexaquark: Es besteht aus einer sich überlappenden Doppelblase mit sechs gleichfarbigen Kugeln. Die Doppelblase darunter mit vier Kugeln, von denen je zwei die gleiche Farbe haben, steht für ein Tetraquark.
Bindungszustände von Quarks

Jahrzehntelang war es nicht gelungen, theoretisch mögliche Hadronen aus mehr als drei Quarks in Experimenten nachzuweisen. Doch mit leistungsfähigeren Teilchenbeschleunigern und präziseren Messinstrumenten ist dies in den vergangenen Jahren gleich mehrfach gelungen.

Besonders spannend sind natürlich die neuen Experimente, die gezeigt haben, dass es wahrscheinlich auch andere Teilchen gibt, nämlich Tetraquarks oder Sechs-Quark-Zustände.“

An einem solchen Experiment, dem WASA-Experiment am COSY-Beschleuniger des Forschungszentrums Jülich, ist Alfons Khoukaz selbst beteiligt. Eine Zielsetzung des Experiments war ursprünglich, das Verhalten sogenannter Pi-Mesonen zu untersuchen, doch schon bald stellte sich heraus, dass eine ganz neue Art von Teilchen im Spiel sein könnte.

„Es wurden an diesem Beschleuniger verschiedene Experimente durchgeführt und dann wurde tatsächlich entdeckt, dass es eine Teilchenresonanz gibt – also Anzeichen für ein neues Teilchen, das dort entstehen kann – mit einer bestimmten Masse und einer bestimmten Lebensdauer. Das sind in diesem Fall etwa 10-23 Sekunden – ein recht kurzlebiger Zustand – aber das ist ein Teilchen, das man hier identifizieren kann. Und es deutet vieles darauf hin, dass es sich bei diesem Teilchen wirklich um einen Sechs-Quark-Zustand handelt.“

Schon zuvor hatten andere Experimente Hinweise auf Vier-Quark-Zustände, sogenannte Tetraquarks, gefunden. Diese Hadronen, die weder zu den Mesonen noch zu den Baryonen zählen, werden auch als „exotische Hadronen“ bezeichnet. Sie sind genauso aus Quarks zusammengesetzt und folgen den gleichen Gesetzen wie die altbekannten Baryonen und Mesonen.

”Also es war einerseits eine Überraschung, eine freudige Überraschung natürlich, dass es jetzt Evidenzen gibt, dass es solche Teilchen gibt – auf der anderen Seite war es nicht unbedingt eine Überraschung, denn diese Theorien, dass es solche exotischen Teilchen geben soll, die gibt es schon seit vielen Jahrzehnten.“

Exotische Teilchen in bekannten Theorien

Eine wichtige anstehende Aufgabe für Theorie und Experiment ist nun das Einfügen der exotischen Hadronen in das bisher akzeptierte Theoriegerüst der Teilchenphysik. Hadronen werden vor allem in sogenannten Multipletts sortiert.

„Diese Multipletts lassen sich mit dem Periodensystem vergleichen: Dort hat man auch sehr viele verschiedene chemische Elemente und hat eine einfache Möglichkeit gefunden, diese verschiedenen Elemente zu sortieren. So ähnlich macht man das auch bei den Mesonen. Man nimmt also Mesonen mit gleichen Quantenzahlen, sortiert sie in bestimmte Multipletts und hat damit eine gewisse Ordnung geschaffen.“

Multipletts für die Mesonen und Baryonen gibt es schon lange. Eine Besonderheit dieser Gruppierungen ist, ähnlich wie in der Frühzeit des chemischen Periodensystems, dass Lücken in der Ordnung auf noch nicht entdeckte Elemente hindeuten. So haben beispielsweise Mitte des vergangenen Jahrhunderts Forscher an einem Beschleunigerexperiment das sogenannte Omega-Minus-Baryon gefunden. Seine Eigenschaften entsprachen exakt der Vorhersage für ein Teilchen, das eine Lücke im entsprechenden Baryonenmultiplett schließen sollte. In die bekannten Multipletts für Baryonen und Mesonen lassen sich die neuen exotischen Hadronen aber nicht einordnen.

Weitwinkel-Aufnahme einer großen Halle, in der eine langgezogene Maschine in einem ovalen Aufbau steht. Entlag der Maschine sind zahlreiche Gerätschaften.
COSY-Beschleuniger

”Das heißt für diese Sechs-Quark-Zustände müsste man im Prinzip neue Multipletts aufsetzen. Und das ist eine außerordentlich spannende Sache, denn das bedeutet: Wenn ich ein neues Multiplett aufmache, wo so ein Sechs-Quark-Zustand reinpasst, dann impliziert das ja schon, dass da noch Plätze frei sind. Das heißt, dieses eine Experiment, das man hier gemacht hat, ist außerordentlich aufregend, denn das öffnet im Prinzip die Tür zu einer neuen Welt, wenn man so möchte. Man hat hier also die Möglichkeit, noch weitere Zustände zu finden.“

Bei diesen Neuentdeckungen gehen Theorie und Experiment Hand in Hand, denn beide sind auf die Ergebnisse beziehungsweise die Vorhersagen der anderen Seite angewiesen.

Eine Theorie, so gut sie ist, muss letztendlich durch das Experiment bestätigt werden. Auf der anderen Seite: Die Experimente leben davon, dass man gute theoretische Modelle hat, die einem auch behilflich sind zu verstehen, was man wirklich gemessen hat. Von daher ist das ein außerordentlich gesundes Zusammenspiel, was wir hier haben.“

Obwohl es viele neue Teilchen zu entdecken gibt, bestehen anders als in der Chemie vergangener Jahrhunderte auf dem Gebiet der exotischen Hadronen kaum Chancen für die Forscher, sich durch deren Benennung zu verewigen, etwa bei den Tetraquark-Kandidaten.

„Die haben vergleichsweise langweilige Namen bekommen – X, Y, Z zum Beispiel. Also da haben sich keine Forscher verewigt. Ich glaube, da kann man sich wenig Hoffnungen machen.

Alfons Khoukaz nimmt es sportlich und freut sich vor allem auf die Entdeckungen, die dieses neue Feld der Hadronenphysik jetzt zu bieten hat.

„Heute haben wir natürlich das Glück, dass wir ein paar sehr aufregende Entdeckungen gemacht haben – diese möglichen Sechs- oder Vier-Quark-Zustände: Die scheinen die Tür zu einer neuen Klasse von Physik zu öffnen. Und von daher glaube ich, sind wir jetzt schon in einer ganz spannenden Phase, aber ich bin sicher, dass auch später noch sehr spannende Zeiten auf uns zukommen.“

Das nächste Projekt, an dem Alfons Khoukaz und seine Kollegen beteiligt sind, ist das PANDA-Experiment, das in den kommenden Jahren an der neuen Beschleunigeranlage FAIR beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt in Betrieb genommen werden soll. Ein Ziel ist des neuen Experiments ist es, mit modernen Messmethoden exotische Hadronen zu finden und zu erforschen.