04.08.2021

Langlebiges Tetraquark mit doppeltem Charme

Exotisches Teilchen aus zwei schweren Quarks und zwei leichten Antiquarks.

Die LHCb-Kollaboration am Cern hat eine neue Klasse hadro­nischer Materie mit über­wältigender statistischer Signi­fikanz entdeckt: Doppelt schwere Tetra­quarks, die als Tcc+ bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um das langlebigste exotische Teilchen, das jemals beobachtet wurde, und das erste, das zwei schwere Quarks und zwei leichte Antiquarks enthält.

Abb.: Das langlebige, doppelt schwere Tetraquark enthält zwei schwere Quarks...
Abb.: Das langlebige, doppelt schwere Tetraquark enthält zwei schwere Quarks und zwei leichte Antiquarks. (Bild: CERN)

Mehrere Möglichkeiten für die innere Struktur des Zustands sind denkbar: Die Quarks könnten fest durch Gluonen, ähnlich wie im Proton und Neutron gebunden sein. Oder sie könnten auch locker in einer kernartigen Struktur gebunden sein. Es besteht auch die Möglich­keit, dass diese beiden Mechanismen sich überlagern. „Für die bisher beobachteten exotischen Kandidaten gab es immer eine alternative Erklärung. Daher setzt die jetzige Entdeckung einen Meilen­stein, weil es der erste eindeutige Hinweis auf Materie­formationen jenseits der konventionellen Zustände ist“, sagt Teilchen­physiker Mikhail Mikhasenko.

Doppeltschwere Tetraquarks wurden erstmals vor fast vierzig Jahren vermutet und werden seither intensiv diskutiert. Solche Teilchen können durch Umwandlung in ein Mesonenpaar zerfallen, das jeweils aus einem der schweren Quarks und einem der leichten Anti­quarks besteht. Bei Tcc+ liegen die Massen des Anfangs- und des Endzustands sehr nahe beieinander, was zu seiner ungewöhnlichen Lebens­dauer führt, die in der Welt der Hadronen beein­druckend groß und bei den Exoten beispiellos ist.

Dies ist nicht nur eine bahn­brechende Entdeckung an sich, sondern ebnet auch den Weg für die Suche nach verwandten Teilchen. Der „beautiful cousin“ mit zwei Bottom-Quarks anstelle von zwei Charm-Quarks ist besonders interessant, da seine Masse Berechnungen zufolge kleiner sein sollte als die Summe der Massen des Mesonen­paares, in das er zerfällt. Damit wäre der Zerfall nicht nur unwahr­scheinlich, sondern sogar verboten, was zu noch mehr Stabilität in Bezug auf die starke und elektromagnetische Wechsel­wirkung führen würde. „Stabile oder fast stabile exotische Hadronen sind der Traum der Forscher, die exotische Phänomene der QCD untersuchen“, sagt Mikhasenko.

Origins / JOL

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