Neues „Schweres Proton“ von LHCb entdeckt

Das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) des CERN hat ein neues Teilchen entdeckt, das aus zwei Charm- und einem Down-Quark besteht, das Ξ_cc⁺. Es hat also Drei-Quark-Struktur wie das Proton, jedoch sind beiden Up-Quarks des Protons durch zwei schwere Charm-Quarks ersetzt, was die Masse in etwa vervierfacht. Die Entdeckung, die auf der Moriond-Konferenz vorgestellt wurde, kann das Verständnis erweitern, wie die starke Kernkraft Protonen, Neutronen und andere zusammengesetzte Teilchen miteinander bindet.

Künstlerische Dar­stel­lung des neu­en Teil­chens, das zwei Charm-Quarks und ein Down-Quark ent­hält.

Quelle: CERN

An Beschleunigern haben Forschende schon zahlreiche instabile Teilchen nachgewiesen, die das Standardmodell, und das gerade von der LHCb-Kollaboration angekündigte neue Teilchen erhöht die Gesamtzahl der durch LHC-Experimente entdeckten Hadronen auf 80.

„Dies ist das erste neue Teilchen, das nach den 2023 abgeschlossenen Upgrades des LHCb-Detektors identifiziert wurde, und erst das zweite Mal, dass ein Baryon mit zwei schweren Quarks beobachtet wurde, das erste wurde vor fast zehn Jahren von LHCb beobachtet“, sagt LHCb-Sprecher Vincenzo Vagnoni. „Das Ergebnis wird Theoretikern helfen, Modelle der Quantenchromodynamik zu testen, die Theorie der starken Kraft, die Quarks nicht nur in konventionelle Baryonen und Mesonen, sondern auch in exotischere Hadronen wie Tetraquarks und Pentaquarks verbindet.“

Im Jahr 2017 berichtete LHCb  über die Entdeckung eines sehr ähnlichen Teilchens, das  Ξ_cc⁺⁺, das aus zwei Charm-Quarks und einem Up-Quark besteht. Dieses Up ist der einzige Unterschied zwischen diesem Teilchen und dem neuen Ξ_cc⁺, das an seiner Stelle ein Down hat. Trotz der Ähnlichkeit hat das neue Teilchen eine vorhergesagte Lebensdauer, die aufgrund komplexer Quanteneffekte bis zu sechsmal kürzer ist als sein Gegenstück. Das macht die Beobachtung noch schwieriger.

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Vorgeschmack auf neue Physik?

Durch die Analyse von Daten aus Proton-Proton-Kolli­sio­nen, die vom LHCb-Detektor während des dritten LHC-Laufs aufgezeichnet wurden, beobachtete die Kollaboration das neue Baryon mit einer statistischen Signifikanz von sieben Sigma, deutlich über der Schwelle von fünf Sigma, die für eine Entdeckung erforderlich ist.

„Dieses bedeutende Ergebnis ist ein fantastisches Beispiel dafür, wie die einzigartigen Fähigkeiten des LHCb eine entscheidende Rolle für den Erfolg des LHC spielen“, sagt Mark Thomson, Generaldirektor des CERN. „Es zeigt, wie experimentelle Upgrades am CERN direkt zu neuen Entdeckungen führen und den Boden für die transformative Wissenschaft ebnen, die wir vom High-Luminosity-LHC erwarten. Diese Erfolge sind nur dank der außergewöhnlichen Leistung des Beschleunigerkomplexes von CERN und der Teams, die alles zum Laufen bringen, sowie dem Engagement der Wissenschaftler für das LHCb-Experiment möglich.“

Der vierjährige intensive Upgrade (Long Shutdown 3 – LS3), um den LHC in den High-Luminosity-LHC umzuwandeln, ist für den Sommer angesetzt. Der HiLumi LHC wird die Anzahl der Teilchenkollisionen um den Faktor Zehn erhöhen und das Volumen der für Forscher verfügbaren physikalischen Daten erheblich erhöhen. Dieser Fortschritt wird es Physikern ermöglichen, das Verhalten des Higgs-Bosons und anderer Elementarteilchen mit beispielloser Präzision zu erforschen und seltene neue Phänomene zu entdecken, die sich offenbaren könnten. Es ist das größte Erweiterungs-Projekt am CERN der letzten beiden Jahrzehnte.

Kürzlich wurde mit der kryogenen Abkühlung des 95 Meter langen Teststands auf 1,9 K begonnen. Der Inner Triplet String (IT String) ist eine maßstabsgetreue Nachbildung des kommenden Upgrades. Der Teststand soll das neuartige Magnetsystem – die inneren Triplet-Strahl­fokus­sier­mag­ne­te – und seine komplexe Infrastruktur validieren, die ein Schlüsselelement für HiLumi-LHC ist, der 2030 in Betrieb gehen soll. [CERN / dre]