Physiker der LHCb-Kollaboration am CERN haben ein neues Tetraquarkteilchen namens X (6900) entdeckt, das aus zwei Charm-Quarks und zwei Charm-Antiquarks besteht.
X(6900), ein Tetraquarkteilchen, das aus zwei Charm-Quarks und zwei Charm-Antiquarks besteht. Bildnachweis: CERN.
Quarks sind punktförmige Elementarteilchen, die typischerweise in Paketen von zwei (Mesonen) oder drei (Baryonen) vorliegen, von denen die bekanntesten das Proton und das Neutron sind — jedes besteht aus drei Quarks.
Es gibt sechs Arten — oder Geschmacksrichtungen — von Quark zur Auswahl: up, down, strange, charm, bottom und top. Jeder von ihnen hat auch ein Antimaterie-Gegenstück.
In ihren grundlegenden Arbeiten von 1964 schlugen die amerikanischen Physiker Murray Gell-Mann und George Zweig das Quark-Modell vor und erwähnten die Möglichkeit, ein Quark-Antiquark-Paar zu einer minimalen Meson- oder Baryon-Quark-Konfiguration hinzuzufügen, um Tetra- und Pentaquarks zu bilden.
Physiker brauchten jedoch 50 Jahre, um eindeutige experimentelle Beweise für die Existenz dieser exotischen Teilchen zu erhalten.
Im April 2014 veröffentlichte die LHCb-Kollaboration Messungen, die zeigten, dass das Z(4430)+ -Teilchen aus vier Quarks besteht.
Ein Jahr später berichteten die LHCb-Physiker über die Beobachtung von zwei Pentaquarks, Pc(4450)+ und Pc(4380)+.
„Teilchen, die aus vier Quarks bestehen, sind bereits exotisch, und das, was wir gerade entdeckt haben, ist das erste, das aus vier schweren Quarks des gleichen Typs besteht, nämlich zwei Charm-Quarks und zwei Charm-Antiquarks“, sagte Dr. Giovanni Passaleva, der scheidende Sprecher der LHCb-Kollaboration.
„Bisher haben das LHCb und andere Experimente nur Tetraquarks mit höchstens zwei schweren Quarks und keine mit mehr als zwei Quarks des gleichen Typs beobachtet.“
Das LHCb-Team fand das X (6900) -Tetraquark unter Verwendung der Partikeljagdtechnik, bei der nach einem Überschuss an Kollisionsereignissen gesucht wurde, die als“Beule“ bekannt sind, über einem glatten Hintergrund von Ereignissen.
Beim Durchsuchen der vollständigen LHCb-Datensätze aus dem ersten und zweiten Lauf des Large Hadron Collider, die von 2009 bis 2013 bzw. von 2015 bis 2018 stattfanden, entdeckten sie eine Beule in der Massenverteilung eines Paares von J / ψ-Teilchen, die aus einem Charm-Quark und einem Charm-Antiquark bestehen.
Die Beule hat eine statistische Signifikanz von mehr als fünf Standardabweichungen, die übliche Schwelle für die Entdeckung eines neuen Teilchens, und sie entspricht einer Masse, bei der Teilchen, die aus vier Charm-Quarks bestehen, vorhergesagt werden.
„Diese exotischen schweren Teilchen liefern extreme und doch theoretisch recht einfache Fälle, mit denen Modelle getestet werden können, mit denen sich dann die Natur gewöhnlicher Materieteilchen wie Protonen oder Neutronen erklären lässt“, sagte Dr. Chris Parkes, der künftige Sprecher der LHCb-Kollaboration.
„Es ist daher sehr aufregend zu sehen, wie sie zum ersten Mal in Kollisionen am Large Hadron Collider auftreten.“
Die Entdeckung wird in einem Papier beschrieben, das auf der arXiv.org preprint-Server.
R. Aaij et al (LHCb-Kollaboration). 2020. Beobachtung der Struktur im J / ψ-Paar-Massenspektrum. CERN-EP-2020-115, LHCb-PAPER-2020-011; arXiv: 2006.16957