das Pentaquark und das allererste Tetraquarkpaar

Die internationale LHCb-Kollaboration am Large Hadron Collider (LHC) hat drei nie zuvor gesehene Teilchen beobachtet: eine neue Art von Pentaquark und das allererste Tetraquark-Paar, das eine neue Art von Tetraquark enthält. Die Ergebnisse, die heute auf einem CERN-Seminar vorgestellt wurden, fügen der wachsenden Liste neuer Hadronen, die am LHC entdeckt wurden, drei neue exotische Mitglieder hinzu. Sie werden den Physikern helfen, besser zu verstehen, wie sich Quarks zu diesen zusammengesetzten Teilchen verbinden.

Die Quarks sind Elementarteilchen und sind in sechs Geschmacksrichtungen erhältlich: hoch, niedrig, charmant, seltsam, hoch und niedrig. Sie verbinden sich normalerweise in Zweier- oder Dreiergruppen zu Hadronen wie den Protonen und Neutronen, aus denen Atomkerne bestehen. Seltener können sie sich aber auch zu Vier- und Fünf-Quark-Teilchen, den sogenannten „Tetraquarks“ und „Pentaquarks“, verbinden. Diese exotischen Hadronen wurden von Theoretikern vor etwa sechs Jahrzehnten gleichzeitig mit konventionellen Hadronen vorhergesagt, aber erst vor relativ kurzer Zeit, innerhalb der letzten 20 Jahre, wurden sie von LHCb und anderen Experimenten beobachtet.

Die meisten der in den letzten zwei Jahrzehnten entdeckten exotischen Hadronen sind Tetraquarks oder Pentaquarks, die ein Charmed-Quark und ein Charmed-Antiquark enthalten, die restlichen zwei oder drei Quarks ein Up-, Down- oder Strange-Quark oder deren Antiquarks sein. Aber in den letzten zwei Jahren hat LHCb verschiedene Arten von exotischen Hadronen entdeckt. Vor zwei Jahren entdeckte die Kollaboration ein Tetraquark bestehend aus zwei Charmed-Quarks und zwei Charmed-Antiquarks sowie zwei „Open-Charm“-Tetraquarks bestehend aus einem Charmed-Antiquark, einem Up-Quark, einem Down-Quark und einem Strange-Antiquark. Und letztes Jahr fand er das allererste Beispiel für ein „Double Open Charm“-Tetraquark mit zwei Charmed-Quarks und einem Up-and-Down-Antiquark. Open charm bedeutet, dass das Teilchen ein charmed Quark ohne äquivalentes Antiquark enthält.

Zu den heute von der LHCb-Kollaboration bekannt gegebenen Entdeckungen gehören neue Arten exotischer Hadronen. Der erste Typ, der bei einer Analyse des „Zerfalls“ negativ geladener B-Mesonen beobachtet wurde, ist ein Pentaquark, das aus einem Charmed-Quark und einem Charmed-Antiquark sowie einem Up-, einem Down- und einem Strange-Quark besteht. Es ist das erste Pentaquark, das ein Strange Quark enthält. Der Befund hat eine enorme statistische Signifikanz von 15 Standardabweichungen, weit über die 5 Standardabweichungen hinaus, die erforderlich sind, um die Beobachtung eines Partikels zu behaupten Teilchenphysik.

Der zweite Typ ist ein doppelt elektrisch geladenes Tetraquark. Es ist ein offenes Charme-Tetraquark, das aus a besteht Charme Quark, ein seltsames Antiquark und ein Up- und ein Down-Quark Antiquar, und es wurde mit seinem neutralen Gegenstück in einer gemeinsamen Analyse der Zerfälle von positiv geladenen und neutralen B-Mesonen entdeckt. Die neuen Tetraquarks, die mit einer statistischen Signifikanz von 6,5 (doppelt geladenes Teilchen) und 8 (neutrales Teilchen) Standardabweichungen beobachtet wurden, repräsentieren das erste Mal, dass ein Paar von Tetraquarks beobachtet wurde.

„Je mehr Analysen wir durchführen, desto exotischere Hadronentypen finden wir“, erklärt Niels Tuning, LHCb-Physikkoordinator. „Wir sind Zeugen einer Entdeckungsphase, die der der 1950er Jahre ähnelt, als die Entdeckung eines Hadronen-„Teilchenzoos“ begann und schließlich zur Entdeckung führte Quark Modell konventioneller Hadronen in den 1960er Jahren Wir erschaffen den „Teilchenzoo 2.0“.

„Neue Arten von Tetraquarks und Pentaquarks zu finden und ihre Eigenschaften zu messen, wird Theoretikern helfen, ein einheitliches Modell exotischer Hadronen zu entwickeln, deren genaue Natur weitgehend unbekannt ist“, sagt LHCb-Sprecher Chris Parkes. „Es wird auch helfen, konventionelle Hadronen besser zu verstehen.“

Während ein paar theoretische Modelle beschreiben exotische Hadronen als einzelne Einheiten fest gebundener Quarks, andere Modelle stellen sie sich als Paare von Standard-Hadronen vor, die lose in einer molekülähnlichen Struktur verbunden sind. Nur die Zeit und weitere Studien exotischer Hadronen werden zeigen, ob dies der Fall ist Partikel sind das eine, das andere oder beides.