„Es ist instabil und sehr kurzlebig“

Welt der Physik: Was für ein Teilchen wurde am LHCb-Experiment nun gefunden?

Ulrich Uwer

Ulrich Uwer: Populärwissenschaftlich wird dieses Teilchen gerne als „schweres Proton“ bezeichnet. Das liegt daran, dass es genau wie das Proton zwei identische positiv geladene Quarks und ein negativ geladenes Down-Quark enthält. Es hat also eine analoge Symmetrie in seinen Bestandteilen wie das Proton, auch wenn das neue Teilchen instabil und sehr kurzlebig ist.

Was sind die Quarks?

Quarks sind Elementarteilchen, aus denen die Atomkernbestandteile, also Protonen und Neutronen, bestehen. Sie können in zwei verschiedenen Ladungszuständen auftreten. Es gibt die positiv geladenen Up-Quarks mit zwei Dritteln einer Elementarladung und die negativ geladenen Down-Quarks mit einem Drittel einer Elementarladung. Ein Proton enthält zwei positiv geladene Up-Quarks und ein negativ geladenes Down-Quark, es hat folglich eine Gesamtladung von genau einer Elementarladung. Die Neutronen sind elektrisch neutral, weil sie aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark bestehen. Deshalb hat ein Atom genauso viele negativ geladene Elektronen in der Hülle wie positiv geladene Protonen im Kern.

Es gibt aber nicht nur Up- und Down-Quarks?

Es gibt von den Quarks nicht nur diese stabilen Varianten, aus denen Protonen und Neutronen bestehen. Sondern sowohl das Up- als auch das Down-Quark haben je zwei schwerere „Geschwister“, die eine deutlich höhere Masse haben und instabil sind. Die beiden schwereren Geschwister des Up-Quarks sind das Charm- und das Top-Quark, wobei letzteres so extrem kurzlebig ist, dass es keine nachweisbaren Bindungen eingeht. Die beiden schwereren Geschwister des Down-Quarks sind das Strange- und das Bottom-Quark.

Die Eigenschaften dieser Quarks sorgen jetzt dafür, dass sich das entdeckte Teilchen vom Proton unterscheidet?

Ja, denn beim nun nachgewiesenen „schweren Proton“ sind die beiden Up-Quarks des Protons durch zwei Charm-Quarks ersetzt. In der Nomenklatur der Teilchenphysik nennen wir dieses Teilchen deshalb Xi-C-C-Plus. Es ist ein sogenanntes Xi-Teilchen mit zwei Charm-Quarks und einfacher positiver Ladung. Es ist instabil und zerfällt sehr schnell, innerhalb von einigen Dutzend Femtosekunden, also dem Millionstel von Milliardstel Sekunden.

Verhält es sich ansonsten genau wie ein Proton?

Elementarteilchen des Standardmodells

Es ist so kurzlebig, dass man damit leider kaum Experimente anstellen kann. Wir können aber seine Masse angeben: Es wiegt ungefähr viermal so viel wie ein Proton. Diese zusätzliche Masse stammt einfach daher, dass Charm-Quarks schwerer sind als Up-Quarks. Das ist im Rahmen unserer Erwartungen. Vor knapp zehn Jahren haben wir bereits ein ähnliches Teilchen entdeckt, das ebenfalls eine vergleichbare Masse trug. Wie man sich angesichts der zwei unterschiedlichen Ladungszustände der Quarks und der je drei Geschwister denken kann, gibt es eine Vielzahl möglicher Teilchen. Wir nennen sie Kompositteilchen. Quarks treten nämlich nie allein auf.

Wie viele solcher Kompositteilchen aus verschiedenen Quarks wurden bereits entdeckt?

Es gibt einen ganzen Zoo von solchen Teilchen. Allein am CERN wurden in den letzten Jahren über 80 neue Quarkbindungszustände entdeckt. Davon hat das LHCb-Experiment den Großteil beigetragen, mit mittlerweile 74 Teilchen. Das war möglich, weil dieser Detektor eine sehr präzise Identifikation der Zerfallsprodukte erlaubt. Manche Teilchen sind etwas „exotischer“, weil sie – wie das nun nachgewiesene Xi-Teilchen – entweder aus mehreren schweren Quarks bestehen oder weil sie vier oder gar fünf Quarks enthalten.

Worin lag die Schwierigkeit, dieses neue Teilchen im Detektor zu finden?

Zunächst einmal wird es überhaupt nur sehr selten erzeugt. Das liegt daran, dass gleich zwei Charm-Quarks eng nebeneinander entstehen müssen, wenn sich die geballte Energie einer Teilchenkollision im Beschleuniger in verschiedene Elementarteilchen verwandelt. Diese beiden Charm-Quarks müssen zudem ähnliche Impulse haben und außerdem noch mit einem dritten Quark eine Verbindung eingehen. Zweitens sind diese Xi-Teilchen sehr kurzlebig und zerfallen fast an Ort und Stelle wieder. Man kann sie also nur anhand ihrer Zerfallsprodukte nachweisen. Diese wiederum muss man klar von anderen Ereignissen trennen können. Das „schwere Proton“ ist nun das erste neue Teilchen, das wir seit Beginn der jüngsten Betriebsphase am CERN entdecken konnten. Wir hatten unseren Detektor ja völlig umgebaut sowie die meisten Komponenten ausgetauscht und modernisiert. Auch deutsche Forschungsgruppen waren daran maßgeblich beteiligt.

Wie viel besser ist der Detektor dadurch geworden?

LHCb-Experiment

Es wurde nicht nur der Detektor verbessert, sondern für unseren Kollisionspunkt wurde auch die Intensität des Strahls erhöht. Wir haben jetzt eine ungefähr fünffach höhere Kollisionsrate im Vergleich zu vor dem Umbau und der Detektor muss jetzt auch eine entsprechend höhere Teilchenrate detektieren. Zusätzlich werden die Daten von bestimmten Zerfällen, wie dem des neuen Xi-Teilchens, vom sogenannten Triggersystem bis zu viermal effizienter aufgezeichnet. In Summe nehmen wir also je nach Zerfall zwischen 10- und 20-mal so viele interessante Ereignisse auf wie vorher. Das heißt natürlich auch, dass wir entsprechend viel Computerpower benötigen, um all diese Daten zu verarbeiten.

Birgt das „schwere Proton“ denn irgendwelche Überraschungen? Liefert es einen Hinweis auf Gesetzmäßigkeiten jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik?

Das lässt sich noch nicht genau sagen. Bislang deutet aber nichts darauf hin. Sowohl seine Existenz als auch seine Eigenschaften – insbesondere seine Masse und seine Zerfallsarten – sind völlig kompatibel mit den bekannten Gesetzen der Physik. Aber wir werden es genau wie die anderen neuen Teilchen in unseren Analysen weiter untersuchen. Dank des geglückten Umbaus stehen nun allen Experimenten so viele Daten zur Verfügung, dass wir die Eigenschaften der bekannten Teilchen immer genauer untersuchen können. Wir werden also bestimmt noch das eine oder andere neue Teilchen entdecken. Die Elementarteilchen des Standardmodells sind seit der Entdeckung des Higgs-Bosons ja alle bekannt. Aber bei den zusammengesetzten Quarkzuständen gibt es immer noch ein paar vorhergesagte Kandidaten, die sich bislang einem Nachweis entziehen.