Mehr als drei Jahre nach der Entdeckung eines nie zuvor gesehenen subatomaren Teilchens wissen die Physiker nun, wie diese Teilchen - Pentaquarks genannt - zusammengesetzt werden.
Neue Forschungsergebnisse zeigen drei völlig neue Arten von Pentaquarks und zeigen, dass sie jeweils aus zwei Komponenten bestehen: einem Drei-Quark-Cluster namens Baryon und einer Paarung aus Quark und Antiquark namens Meson.
"Wir haben ein viel klareres Bild erhalten und gesagt: 'Oh mein Gott, es gibt Dinge, die wir uns eigentlich nicht vorgestellt haben'", sagte Studienleiter Tomasz Skwarnicki, Physiker an der Syracuse University im Bundesstaat New York.
Subatomare Struktur
Quarks sind subatomare Teilchen, die in sechs Typen vorliegen (hoch, runter, seltsam, charmant, unten und oben). Sie sind die Bausteine von Protonen und Neutronen, die jeweils aus drei Quarks bestehen. Diese Drei-Quark-Partikel werden auch als Baryonen bezeichnet. Ein weiterer wichtiger Partikeltyp ist das Meson; Diese bestehen jeweils aus einem Quark und einem Antiquark. Antiquarks sind die seltsamen Antimaterie-Cousins von Quarks.
In den 1960er Jahren, als Physiker zum ersten Mal über all diese Quarks theoretisierten, stellten sie fest, dass es keinen Grund gab, keine Teilchen aus vier oder fünf Quarks herzustellen, sagte Skwarnicki gegenüber Live Science. Es gab jedoch keine experimentellen Beweise für Fünf-Quark-Partikel oder Pentaquarks - bis 2015 entdeckten Skwarnicki und seine Kollegen die Objekte unter den Partikeln, die durch Kollisionen im Large Hadron Collider in Genf entstanden waren.
Zu der Zeit, sagte Skwarnicki, waren die Daten ein wenig verschwommen. Seitdem haben die Forscher die Datenmenge zu diesen Pentaquarks um den Faktor neun erhöht. Das habe zu einem viel schärferen Bild geführt, sagte Skwarnicki.
Kugeln aus Quarks
Das erste, was die Forscher entdeckten, war, dass es unter den LHC-Partikeln drei separate Pentaquarks mit drei einzigartigen Massen gibt. Einer war zuvor unentdeckt. Die beiden anderen waren in der Studie von 2015 als eine Spitze im Spektrum der Partikelmasse aufgetreten, sind aber jetzt als zwei separate Partikel mit separaten Massen erkennbar.
Am wichtigsten ist, dass die neuen Daten die internen Strukturen dieser Pentaquarks aufzeigen. Zuvor, so Skwarnicki, sei nicht klar, wie die fünf Quarks im Pentaquark angeordnet seien. Haben sie alle miteinander interagiert? Oder gab es stattdessen zwei Cluster - ein Drei-Quark-Baryon und ein Meson (das Teilchen aus einem Quark und einem Antiquark), die miteinander interagierten?
Die neuen Daten zeigen, dass es sich um den letzteren Fall handelt. Basierend darauf, wie die Quarks zerfallen - sie sind instabil und existieren nur kurz bevor sie ihre Konfigurationen ändern - müssen sie aus interagierenden Baryonen und Mesonen bestehen, sagte Skwarnicki. Die Pentaquarks bestehen aus einem Charm-Quark, einem Anti-Charm-Quark, zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Sie haben unterschiedliche Massen, weil die Quarks in unterschiedlichen Quantenzuständen existieren.
"Die Bedeutung der neuen Beobachtungen ist, dass sie jetzt in eine klare Richtung weisen", sagte er. Jeder Pentaquark besteht aus einem Baryon mit drei Quarks und einem Meson mit einem Quark und einem Antiquark.
"Es ist wie zwei getrennte Kugeln aus Quarks, die aneinander haften", sagte Skwarnicki.
Skwarnicki präsentierte die Ergebnisse am 26. März auf der Physikkonferenz Rencontres de Moriond in La Thuile, Italien. Die Forscher planen weitere Messungen, um ihre Ergebnisse zu bestätigen, sagte Skwarnicki, und sie planen, nach mehr Pentaquark-Arrangements zu suchen.
"Ich bin tatsächlich zuversichtlich, dass wir in Zukunft mehr Partikel vom Pentaquark-Typ sehen werden", sagte er.
