Neue Hinweise auf exotisches Teilchen aus sechs Quarks

Experimente am Jülicher Beschleuniger COSY könnten Effekt bei der Kollision von Neutronen und Protonen erklären

WASA-Detektor
WASA-Detektor

Jülich - Eine internationale Kollaboration hat mit dem Teilchenbeschleuniger COSY des Forschungszentrums Jülich ein exotisches Teilchen aus sechs Quarks indirekt nachgewiesen. Die Entstehung des "Multiquark Hadrons" könnte auch der Grund für den sogenannten ABC-Effekt sein, der bereits bei anderen Teilchenkollisionen auftrat und dessen Ursache seit rund 50 Jahren ungeklärt ist.

Hadronen sind Teilchen, die aus Quarks und Antiquarks zusammengesetzt sind. Das Standardmodell der Teilchenphysik unterscheidet dabei Mesonen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen, und Baryonen, zu denen Protonen und Neutronen gehören und die aus drei Quarks aufgebaut sind. Einige Physiker sagen die Existenz von weiteren, komplexeren Teilchen voraus, die das Standardmodell zulassen würde: exotische Hadronen oder Multiquark Hadronen, die aus sechs Quarks bestehen.

Eine internationale Kollaboration von mehr als 120 Wissenschaftlern aus sechs Ländern hat nun mit dem schwedischen WASA-Detektor am Teilchenbeschleuniger COSY neue Hinweise auf ein solches Teilchen gefunden. Sie ließen Protonen und Neutronen kollidieren, bei der Verschmelzung je eines Protons und eines Neutrons entsteht ein Deuteriumkern, der Kern des schweren Wasserstoffs. Als Zerfallsprodukte bei der Reaktion entstehen Photonen, die vom Detektor registriert werden. Bei den Experimenten erhielten die Forscher zum Teil ungewöhnlich viele Zerfallsprodukte. Sie gehen davon aus, dass bei den Kollisionen für die Dauer einer Hunderttrilliardstel Sekunde - also 10 hoch -23 Sekunden - ein Multiquark-Hadron entstanden ist. In dieser kurzen Zeitspanne kann Licht gerade einmal einen kleinen Atomkern durchqueren. Solche extrem kurzlebigen Teilchen werden auch als Resonanzen bezeichnet.

"In unseren Experimenten konnten wir die Reaktion erstmals über den gesamten Energiebereich mit einer bisher unerreichten Präzision untersuchen", sagt Hans Ströher vom Institut für Kernphysik des Forschungszentrums Jülich. Mit dem besonders gleichmäßigen Protonenstrahl des COSY-Beschleunigers und dem fünf Meter langen WASA-Detektor erreichten die Forscher eine sehr hohe Genauigkeit ihrer Messwerte. Nur so konnten sie Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Resonanzen ziehen, die nicht mehr mit anderen Theorien als der Entstehung des Multiquark Hadrons zu erklären waren.

Bereits 1960 hatten Wissenschaftler bei der Kollision von leichten Atomkernen eine ungewöhnlich hohe Rate an Zerfallsprodukten beobachtet. Für diesen "ABC-Effekt" - benannt nach den Physikern Alexander Abashian, Norman E. Booth und Kenneth M. Crowe - gab es aber bisher keine schlüssig belegbare Erklärung. Die Forscher in Jülich wollen in den kommenden Jahren testen, ob die von ihnen beobachtete Resonanz auch bei Kollisionen mit elastischen Stößen auftritt, bei denen keine Fusionsreaktion stattfindet.