18.03.2004

"Charmantes" Pentaquark bei HERA?

Das H1-Experiment bei DESY beobachtet ein neues Teilchen aus fünf Quarks.

"Charmantes" Pentaquark bei HERA?

Das H1-Experiment bei DESY beobachtet ein neues Teilchen aus fünf Quarks - das Experiment ZEUS kann die Beobachtung dieses Pentaquarks allerdings nicht bestätigen.

Grafik: Mögliche Erzeugung von charm-Pentaquarks mit einer Masse von etwa 3100 MeV/c ^² bei H1
Die Messdaten des H1-Experiments (Punkte) zeigen eine eindeutige Erhöhung („Resonanz“) bei einer Masse der Teilchenkombinationen D* ^{^-} mit einem Proton und D* ^⁺ mit einem Antiproton von etwa 3100 MeV/c ^², die auf die Erzeugung eines charm-Pentaquarks hinweist. Die Quarkzusammensetzungen dieser Teilchen deuten darauf hin, dass es sich hier um ein Pentaquark mit zwei up-Quarks, zwei down-Quarks und einem charm-Antiquark bzw. auch das entsprechende Antiteilchen, eine Kombination aus zwei up-Antiquarks, zwei down-Antiquarks und einem charm-Quark, handelt. Die durchgezogene Kurve entspricht dem Verlauf der Messdaten inklusive Untergrund, während die gestrichelte Linie nur den Untergrund angibt. Die Balken geben den Fehler der Messungen an. In den Daten des ZEUS-Experiments ist an dieser Stelle keine Resonanz zu finden. (1 GeV = 1000 MeV)

Eines der Experimente, die am HERA-Beschleuniger bei DESY Zusammenstöße von Elektronen und Protonen untersuchen, hat womöglich ein neues Teilchen entdeckt: Wie das internationale Forscherteam des H1-Experiments jetzt berichtet, enthalten die H1-Daten eindeutige Hinweise auf ein Teilchen, das aus fünf Quarks besteht – ein so genanntes „Pentaquark“. Der Clou an der Beobachtung: Das von H1 gemessene Signal weist auf ein Pentaquark hin, das neben vier leichten Quarks auch ein charm-Antiquark enthält und etwa dreimal so schwer ist wie das Proton – ein solches Teilchen wurde bisher noch nie beobachtet. Allerdings hat die Sache einen Haken: Das HERA-Experiment ZEUS kann die Entdeckung nicht bestätigen. In ihren Daten sehen die ZEUS-Physiker keinen Hinweis auf ein solches Teilchen. Damit haben die beiden HERA-Experimente den Startschuss für eine verstärkte Suche nach dem „charmanten“ Pentaquark gegeben. „Sollten sich die Ergebnisse des H1-Experiments bestätigen, so wäre dies eine wichtige Beobachtung“, so Professor Robert Klanner, Forschungsdirektor von DESY. „Wir erwarten deshalb mit großer Spannung weitere Ergebnisse sowohl von HERA als auch von anderen Experimenten. Diese werden dazu beitragen, die Beobachtung von H1 entweder zu bestätigen oder zu widerlegen.“

Photo: Blick in das Innenleben des H1 Detektors (Quelle: DESY Hamburg)

Jahrzehntelang ging man davon aus, dass Teilchen, die aus Quarks bestehen, entweder aus drei Quarks zusammengesetzt sind („Baryonen“ wie das Proton und das Neutron) oder aus einem Quark und einem Antiquark bestehen („Mesonen“). Exotischere Kombinationen aus Quarks und Antiquarks waren von theoretischer Seite her zwar erlaubt, konnten jedoch nie beobachtet werden – bis zum Jahr 2003, als es mehreren Forschergruppen weltweit gelang, ein erstes Pentaquark nachzuweisen, unter anderem auch bei den Experimenten HERMES und ZEUS bei DESY. Damit stellte sich die Frage, ob es auch weitere Pentaquarks gibt, die schwerere Quarksorten, wie zum Beispiel das charm-Quark enthalten. Da in den Elektron-Proton-Kollisionen im HERA-Speicherring bei DESY besonders viele Teilchen mit charm-Quarks produziert werden, lag es für die HERA-Experimente H1 und ZEUS nahe, die Suche nach dem „charmanten“ Pentaquark aufzunehmen. Dabei geht es nicht allein darum, dem Teilchenzoo einen weiteren Vertreter hinzuzufügen. Aufgrund ihrer Eigenschaften können die Pentaquarks Aufschluss über wesentliche, bisher unverstandene Aspekte der starken Kraft geben – jener fundamentalen Naturkraft, welche die Quarks in Teilchen wie den Protonen und Neutronen und diese wiederum im Atomkern zusammenhält.

Bemerkenswert ist, dass die Hinweise auf ein charm-Pentaquark in den Messdaten von H1 ausgesprochen überzeugend sind (siehe Grafik): Das Signal hebt sich klar und deutlich vom restlichen „Untergrund“ ab. Dass eine derart ausgeprägte „Resonanz“, wie der charakteristische Fußabdruck der Teilchen genannt wird, zufällig aufgrund von Fluktuationen des Untergrunds entsteht, ist äußerst unwahrscheinlich. Den Daten von H1 zufolge handelt es sich bei diesem Teilchen um eine Kombination aus zwei up-Quarks, zwei down-Quarks und einem charm-Antiquark (bzw. auch das entsprechende Antiteilchen, eine Kombination aus zwei up-Antiquarks, zwei down-Antiquarks und einem charm-Quark).

Umso erstaunlicher ist es, dass die Forscher am ZEUS-Experiment in ihren Daten keine solche Resonanz finden konnten. Beide Experimente führen nun mit Hochdruck weitere Analysen durch und vergleichen genauestens ihre Daten, um die Beobachtung zu bestätigen oder zu widerlegen. Mit der Veröffentlichung ihrer Ergebnisse stellen die H1-Physiker diese auch in der weltweiten wissenschaftlichen Öffentlichkeit zur Diskussion. Des Rätsels Lösung wird jedenfalls nicht allzu lange auf sich warten lassen: Selbst wenn es keinem anderen Experiment gelingen sollte, das charm-Pentaquark in nächster Zeit aufzuspüren, so werden die von den HERA-Experimenten in den nächsten ein bis zwei Jahren gesammelten Daten auf jeden Fall Klarheit bringen. Dann wird festliegen, ob es sich hier tatsächlich um ein neues Teilchen oder nur einen statistischen Ausreißer handelt.

Die 6,3 Kilometer lange „Hadron-Elektron-Ring-Anlage“ HERA bei DESY ist der erste und einzige Speicherring weltweit, bei dem zwei verschiedene Arten von Materieteilchen miteinander kollidieren: Protonen und Elektronen (bzw. ihre Antiteilchen, die Positronen). Insgesamt vier Experimente gibt es am HERA-Speicherring. Während H1 und ZEUS die hochenergetischen Zusammenstöße von Elektronen und Protonen untersuchen, nutzen die Experimente HERMES und HERA-B jeweils nur einen Teilchenstrahl des Speicherrings.

Quelle: DESY-Hamburg

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