Pentaquarks nachgewiesen

Die Geschichte beginnt wie so oft mit einem Doktoranden, der mit einer eher lästigen Aufgabe betraut wird: Finde und beseitige störendes Rauschen bei Meßsignalen. Nathan Jurik (Amerikaner) mag sich also gedacht haben: "Die Suche nach Rauschen kann nie schaden, immerhin hat sich schon mal den Nobelpreis eingebracht (Penzias/Wilson)." Tatsächlich stieß er auf merkwürdige Signale im Rauschen von Zerfallsprozessen, die sich als sog. exotische Teilchen erwiesen. Darunter versteht man Teilchen, die sich weder aus zwei Quarks (Mesonen), noch aus drei Quarks (Baryonen) zusammensetzen. Das Standardmodell erlaubt solche exotischen Hadronen, solange bestimmte Symmetrien, beispielsweise die Farbladung, eingehalten werden. Bei einem Tetraquark (bestehend aus 4 Quarks) sollten beispielsweise gleich viele Quarks wie Antiquarks auftreten. Nachgewiesen wurden diese Teilchen bereits letztes Jahr in Form von Z(4430)-, besehend aus charm, anti-charm, down und anti-up, wobei die Zahl in Klammern die Masse in MeV/c^2 angibt und das "-" am Ende für negative Ladung steht.

Vor einer Woche haben die Kollegen am LHCb nun den Nachweis zweier kurzlebiger Pentaquarks veröffentlicht: P_C(4450)+ und P_C(4380)+. Der Nachweis gelang in den alten Daten von 2009 - 2012, bei Schwerpunktenergien von 7 und 8 TeV.

Die Signifikanz ist mit 9 Standardabweichungen durchaus beeindruckend. Die statistischen und systematischen Fehler bei der Massenbestimmung betragen 4449,8 ±1,7 ±2,5 MeV und 4380 ±8 ±29 MeV bei gemessenen Zerfallsbreiten von 39 ±5 ±19 MeV und 205 ±18 ±86 MeV.

Im nächsten Schritt wird es interessant sein zu sehen, ob Pentaquarks aus 5 gebundenen Quark bestehen oder aus einer Verbindung aus quark/anti-quark und 3 Quarks, also einem sich sehr nahe stehendem Konstrukt aus zwei Gebilden. Vielleicht erfahren wir dadurch auch Neues über die Bindung der Quarks in Neutronen und Protonen.

Weil ich öfters zur physikalischen Relevanz des Nachweises gefragt werde: Vergeichbar mit dem Nachweis von Higgsteilchen, Susyteilchen oder Dunkler Materie sind die Multiquarks natürlich nicht. Auf einer Skala von unbedeutend bis sensationell würde ich sie mal bei "nett" einstufen.

In jedem Fall dürfte die Doktorarbeit von Nathan Jurik eine sehr interessante Wendung genommen haben - jetzt fällt sein Name in einem Atemzug mit Murray Gell-Mann, der die Multiquarks bereits vor 50 Jahren theoretisch prognostiziert hatte.

Neben den Multiquarks erlaubt das Standardmodell auch sog. "Hybride" und "Glueballs", aber das nur am Rande - es steht uns also noch einiges bevor.

Die Orignalpublikation stelle ich zur vertiefenden Lektüre in den Downloadbereich.

Josef M. Gaßner, 23. Juli 2015