Verwandlung im Teilchenzoo

Studie unter Federführung der Uni Bonn findet in Daten des CERN Hinweise auf einen lang gesuchten Effekt. Eine Pressemitteilung der Universität Bonn.

Quelle: Universität Bonn.

Darstellung der Dreieckssingularität: Das in der Kollision erzeugte Teilchen a1 zerfällt in zwei Teilchen K* und K-quer. Diese wechselwirken miteinander und erzeugen so die beiden Teilchen pi und f0. (Grafik: Bernhard Ketzer/Uni Bonn)

18. August 2021 – Eine internationale Studie unter Federführung der Universität Bonn hat in Beschleuniger-Daten Hinweise auf einen lang gesuchten Effekt gefunden. Die sogenannte „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, das Teilchenphysiker schon lange umtreibt: 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 Publikation ist nun in den Physical Review Letters erschienen.

Die Forschenden analysierten in ihrer Studie Daten aus dem COMPASS-Experiment am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf. Darin werden bestimmte Teilchen, Pionen genannt, auf extrem hohe Geschwindigkeiten gebracht und auf Wasserstoff-Atome geschossen.

Pionen bestehen aus zwei Bausteinen, einem Quark und einem Anti-Quark. Diese werden durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten, ähnlich wie zwei Magnete, deren Pole sich anziehen. Wenn man Magnete voneinander entfernt, nimmt die Anziehung zwischen ihnen sukzessive ab. Bei der starken Wechselwirkung ist das anders: Sie steigt mit zunehmendem Abstand an, ähnlich wie die Zugkraft eines sich dehnenden Gummibands.

Datenanalyse: Prof. Dr. Bernhard Ketzer (links) und Mathias Wagner (rechts) erläutern einen speziellen Prozess bei der Streuung von hochenergetischen Pionen an Protonen, die sogenannte Dreieckssingularität. (Foto: Volker Lannert/Uni Bonn)

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

Ungewöhnliches Signal

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 — dazu zählen etwa die Protonen und Neutronen — oder aber wie die Pionen aus einem Quark und einem Antiquark“, sagt Ketzer. „Dieser neue kurzlebige Zwischenzustand schien dagegen aus vier Quarks zu bestehen.“

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

Letzte Lötarbeiten – von Mathias Wagner (unten) am gasgefüllten, mikrostrukturierten Spurdetektor: Das Team von Prof. Dr. Bernhard Ketzer (oben) entwickelte das Messinstrument. (Foto: Volker Lannert/Uni Bonn)

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, der auch Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich „Bausteine der Materie und fundamentale Wechselwirkungen“ (TRA Matter) ist. „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.

Nur ein kleiner Teil der Proton-Masse ist durch Higgs-Mechanismus erklärbar

Protonen, Neutronen, Pionen und andere Teilchen (die sogenannten Hadronen) haben eine Masse. Sie wird ihnen durch den sogenannten Higgs-Mechanismus verliehen, aber offensichtlich nicht ausschließlich: Ein Proton ist rund 20 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 zustandekommen, 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.“

Förderung:

Die Studie wurde unter anderem aus Mitteln des BMBF, des DFG-Exzellenzclusters „Ursprung und Struktur des Universums“, der EU (im Rahmen ihres 7. Forschungsrahmenprogramms) sowie von Fördereinrichtungen in Tschechien, Frankreich, Indien, Israel, Italien, Japan, Polen, Portugal, Russland, Taiwan und den USA finanziert.

Publikation:

G. D. Alexeev u.a.: Triangle singularity as the origin of the a1(1420); Physical Review Letters 127, 082501 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.082501

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