Verwandlung im Teilchenzoo

Eine internationale Studie unter Federführung der Uni Bonn hat in Beschleuniger-Daten Hinweise auf einen lang gesuchten Effekt gefunden. Die „Dreiecks-Singu­la­rität“ beschreibt, wie Teilchen durch den Austausch von Quarks ihre Identität ändern und dabei ein neues Teilchen vortäuschen können. Der Mechanismus gibt auch neue Einblicke in ein Rätsel: Protonen, Neutronen und viele andere Teilchen sind viel schwerer, als man erwarten würde. Ursache sind Eigen­heiten der starken Wechsel­wirkung, die die Quarks zusammen­hält. Die Dreiecks-Singularität könnte dabei helfen, diese Eigen­schaften besser zu verstehen.

Die Forscher analysierten in ihrer Studie Daten aus dem COMPASS-Experiment am europä­ischen Kern­forschungs­zentrum CERN. Darin werden Pionen auf extrem hohe Geschwin­dig­keiten gebracht und auf Wasser­stoff-Atome geschossen. Pionen bestehen aus einem Quark und einem Anti-Quark. Diese werden durch die starke Wechsel­wirkung zusammen­gehalten, die mit zunehmendem Abstand ansteigt.

Der Aufprall des Pions auf den Wasser­stoff-Kern ist jedoch so stark, dass die Bindung aufreißt. Die in ihr gespeicherte Energie wird dabei auf einen Schlag frei. „Sie wird in Materie umgewandelt, wodurch neue Teilchen entstehen“, erklärt Bernhard Ketzer vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kern­physik der Uni Bonn. „Mit derartigen Experi­menten können wir also wichtige Informationen über die starke Wechsel­wirkung gewinnen.“

Im Jahr 2015 registrierten die COMPASS-Detektoren nach einem solchen Crashtest ein unge­wöhn­liches Signal. Es schien darauf hinzudeuten, dass bei dem Zusammen­prall für wenige Sekunden­bruch­teile ein exotisches neues Teilchen entstanden war. „Normaler­weise bestehen Teilchen entweder aus drei Quarks oder aber aus einem Quark und einem Antiquark“, sagt Ketzer. „Dieser neue kurzlebige Zwischen­zustand schien dagegen aus vier Quarks zu bestehen.“

Mit seiner Arbeitsgruppe, sowie Kollegen der TU München hat der Wissen­schaftler die Daten einer neuen Analyse unter­zogen. „Dabei konnten wir zeigen, dass sich das Signal auch anders erklären lässt — nämlich durch die Dreiecks-Singu­la­rität“, so Ketzer. Dieser Mechanismus wurde bereits in den 1950er Jahren vom russischen Physiker Lew Dawido­witsch Landau postuliert, bislang aber noch nicht direkt nach­ge­wiesen.

Demnach entstand bei der Teilchen­kollision keines­wegs ein Vierer-Quark, sondern ein ganz normales Quark-Antiquark-Zwischen­produkt. Dieses zerfiel aber direkt wieder, aller­dings auf unge­wöhn­liche Weise: „Dabei tauschten die beteiligten Partikel Quarks aus und änderten ihre Identität“, sagt Ketzer. „Das resul­tie­rende Signal sieht dann exakt so aus wie das von einem Vierer-Quark mit einer anderen Masse.“ Es ist das erste Mal, dass eine solche Dreiecks-Singu­la­rität direkt als vermeint­liches neues Teilchen in diesem Massen­bereich nach­gewiesen wurde. Interessant ist das Ergebnis auch deshalb, weil es neue Einblicke in die Natur der starken Wechsel­wirkung erlaubt.

Protonen, Neutronen, Pionen und andere Hadronen haben eine Masse, die ihnen durch den Higgs-Mechanismus verliehen wird – aber offen­sicht­lich nicht aus­schließ­lich. Denn ein Proton ist etwa zwanzig Mal masse­reicher, als man es allein mit dem Higgs-Mechanismus erklären kann. „Der Großteil der Masse der Hadronen kommt durch die starke Wechsel­wirkung zustande“, erklärt Ketzer. „Wie genau die Massen der Hadronen zustande kommen, ist aller­dings noch nicht geklärt. Unsere Daten helfen uns, die Eigen­schaften der starken Wechsel­wirkung besser zu verstehen - und vielleicht auch, auf welche Weise sie zur Masse von Teilchen beiträgt.“

Uni Bonn / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  G. D. Alexeev et.al.: Triangle singularity as the origin of the a₁(1420), Phys. Rev. Lett. 127, 082501 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.082501
• Experimentelle Hadronenphysik, Teilchendetektoren, Instrumentierung (B. Ketzer), Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik, Universität Bonn