Ein internationales Team aus der aus der η PRiME Kollaboration und der Super Fragmentseparator Experiment Kollaboration hat in einem Experiment am Forschungszentrum GSI/FAIR Hinweise auf die Existenz eines exotischen Atomkernzustands gefunden, der zwar seit langer Zeit theoretisch vorhergesagt, bisher aber noch nie beobachtet wurde. Es handelt sich um ein System aus einem Atomkern des Kohlenstoffisotops ¹¹C und einem η′ Meson – einem kurzlebigen Teilchen aus einem Quark und einem Antiquark. Dieses System ist ausschließlich durch die starke Wechselwirkung gebunden.
Einige Mesonen sind elektrisch negativ geladen. Sie können daher in Atomen in seltenen Fällen ein Elektron ersetzen und sind dann – ähnlich wie Elektronen – durch die elektromagnetische Wechselwirkung an den Atomkern gebunden. Es gibt aber auch elektrisch neutrale Mesonen wie das η′ Meson. Weil es keine elektrische Ladung trägt, kann es nicht elektromagnetisch an den Kern gebunden werden, sondern nur über die starke Wechselwirkung. Ein solcher Zustand, in dem ausschließlich die starke Wechselwirkung bindet, ist besonders interessant, weil er Rückschlüsse auf die Eigenschaften dieser Kraft ermöglicht.
Bereits 2005 hatten japanische Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Existenz eines solchen nur durch die starke Wechselwirkung gebundenen Meson Kern Systems vorhergesagt. Alle Experimente zur Suche nach diesem exotischen Kernzustand blieben jedoch bis vor Kurzem erfolglos. Erst jetzt, rund zwanzig Jahre später, ist den Forscherinnen und Forschern ein entsprechender experimenteller Hinweis gelungen.
Die Bedeutung dieses experimentellen Ergebnisses geht weit über den ersten Nachweis eines exotischen Kernzustands hinaus. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass sich die Masse des η′ Mesons in der Materie eines Atomkerns verringert. Das Ergebnis hilft zu verstehen, wie die Masse von Mesonen entsteht: Addiert man die Massen der Quarks im η′ Meson, erhält man nur etwa ein Prozent der Masse, die ein freies η′ Meson hat. Der weitaus größte Teil stammt aus der Energie der starken Wechselwirkung zwischen seinen Bestandteilen.
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Das GSI/FAIR Experiment zeigt, dass sich diese Wechselwirkung ändert, wenn sich das η′ Meson im Atomkern befindet. Ähnlich ist es bei Protonen und Neutronen: Auch dort entstehen rund 99 Prozent der Masse aus der starken Wechselwirkung. Wenn wir also unser Körpergewicht messen, messen wir indirekt auch diese Wechselwirkung. Deshalb ist ein Verständnis der Massenentstehung stark wechselwirkender Teilchen grundlegend, und die Messung ist ein wichtiger Schritt auf diesem Weg.
Das Experiment wurde von Kenta Itahashi und seiner Arbeitsgruppe in Osaka vorgeschlagen und am GSI-Fragmentseparator im Rahmen des FAIR-Phase-0-Forschungsprogramms durchgeführt. Ein Protonenstrahl trifft dabei mit rund 96 Prozent der Lichtgeschwindigkeit auf einen ¹²C Atomkern und entreißt ihm ein Neutron, das zusammen mit dem Proton ein Deuteron bildet und sich in Vorwärtsrichtung wegbewegt. Der zurückbleibende ¹¹C Kern wird in einen stark energiegeladenen Zustand versetzt. Aus dieser Anregungsenergie kann ein η′ Meson entstehen, das sich in seltenen Fällen an den ¹¹C Kern bindet – ein kurzlebiger gebundener Quantenzustand. Um diese seltenen Fälle aus vielen anderen Reaktionen herauszufiltern, wurde ein spezieller Aufbau entwickelt: Gleichzeitig mit dem Deuteron werden die typischen Zerfallsprodukte dieses kurzlebigen Zustands in einem Detektor gemessen, der die Reaktionszone nahezu vollständig umschließt. So lassen sich Bildung, kurzes Bestehen und Zerfall des η′ Meson Kern Systems bestimmen.
Die Kollaboration plant ein verbessertes Folgeexperiment mit deutlich mehr Messdaten, um die spektroskopischen Eigenschaften des gebundenen η′ Meson Kern Systems genauer zu bestimmen, insbesondere Energieniveaus, Bindungsenergie und Zerfallsbreite. Daraus sollen weitere Schlüsse über den Ursprung der Masse stark wechselwirkender Teilchen gezogen werden. In der Zukunft wird das internationale Beschleunigerzentrum FAIR dank höherer Ionenstrahlintensitäten weitere neue Forschungsmöglichkeiten auf dem Gebiet eröffnen. FAIR wird zurzeit in internationaler Zusammenarbeit bei GSI errichtet, um neue Einblicke in den Aufbau der Materie und die Entwicklung des Universums zu ermöglichen. [JLU / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
R. Sekiya et al. (𝜂-PRiME Collaboration and Super-FRS Experiment Collaboration), Excitation Spectra of the 12C(p,d) Reaction near the η’-Meson Emission Threshold Measured in Coincidence with High-Momentum Protons, Phys. Rev. Lett. 136, 142501, 7. April 2026; DOI: 10.1103/6vsl-ng7x - Experimental Nuclear Physics (Itahashi Group), Particle and Nuclear Physics, Department of Physics, Graduate School of Science, The University of Osaka (Ōsaka daigaku 大阪大学)
- IONAS-Gruppe (Christoph Scheidenberger), II. Physikalisches Institut, Justus-Liebig-Universität Gießen
- Experimentelle Hadronenphysik mit Schwerpunkt Detektorphysik (Kai-Thomas Brinkmann / Volker Metag), II. Physikalisches Institut, Justus-Liebig-Universität Gießen
