Pentaquark

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Die fünf beteiligten Quarks des 2015 entdeckten Pentaquarks (uudcc). Die Farbladungen sind willkürlich gewählt.

Pentaquarks (von griechisch penta ‚fünf‘), ein Begriff der Teilchenphysik, sind exotische Hadronen mit einer Baryonenzahl von +1 und einem Aufbau aus fünf Quarks.

Am 13. Juli 2015 berichteten Forscher am LHCb-Detektor des Large Hadron Collider von CERN in Genf von der Entdeckung zweier Pentaquarks-Charmonium-Zustände (Pentaquarks mit Beteiligung von Charm- und Anti-Charm-Quarks) beim Zerfall des Lambda-b-Baryons \Lambda_b^0 \ in das Kaon \Kappa^- \ und das Pentaquark (uudcc).[1]

Allgemeines[Bearbeiten]

Pentaquarks werden, wie alle aus Quarks aufgebauten Gebilde, von der starken Kernkraft zusammengehalten. Wie alle Hadronen sind sie farbneutral.

Bekannte Gruppen von Hadronen sind:

  • Mesonen, „mittelschwere Teilchen“, die aus zwei Quarks (einem Quark und einem Anti-Quark) bestehen und ganzzahligen Spin aufweisen, also Bosonen sind,

und

  • Baryonen, „schwere Teilchen“, die aus drei Quarks bestehen und halbzahligen Spin aufweisen, also Fermionen sind. Dazu zählen beispielsweise Proton und Neutronen.

Mit vier Quarks und einem Antiquark (oder vier Antiquarks und ein Quark) haben Pentaquarks eine Baryonenzahl von +1 oder -1 und ähneln damit Baryonen, haben aber mehr Quarks als diese.

Vorhersage der Existenz von Pentaquarks[Bearbeiten]

Die Existenz von Teilchen mit fünf Quarks war bereits 1964 von Murray Gell-Mann vorhergesagt worden.[2] 1987 wurden sie von Harry J. Lipkin „Pentaquarks“ genannt.[3] 1997 machten Dmitri Diakonov, V. A. Petrov und Maxim Polyakov eine – von anderen Teilchenphysikern skeptisch aufgenommene – konkrete Vorhersage[4] eines Teilchens mit einer ungewöhnlich hohen Lebensdauer, die zu einer sehr kleinen und daher deutlich zu beobachtenden totalen Zerfallsbreite von lediglich 30 MeV führen würde. Die Masse sollte 1530 MeV betragen.

Unter Anwendung sogenannter Gittereichtheorien der Quantenchromodynamik sind mithilfe von Computersimulationen weitere Vorhersagen über Eigenschaften der Pentaquarks versucht worden. Allerdings sind diese theoretischen Ansätze noch nicht sehr fortgeschritten, und verschiedene Forschungsgruppen sind zu widersprüchlichen Ergebnissen gekommen.

Unsichere Meldungen über die Entdeckung von Pentaquarks[Bearbeiten]

Die erste experimentelle Beobachtung des Θ+ wurde im Juli 2003 von Takashi Nakano von der Universität Osaka (Japan) gemeldet und von Ken Hicks am Jefferson Laboratory, Virginia, USA, bestätigt. Diese überraschende Entdeckung führte zu einer Welle von Untersuchungen bereits existierender Daten nach Anzeichen für das Pentaquark. Innerhalb von wenigen Monaten meldeten etwa ein Dutzend verschiedene Gruppen, ebenfalls Evidenz für das Θ+ entdeckt zu haben. Einige Gruppen behaupteten sogar, weitere Pentaquarks nachweisen zu können.

Allerdings tauchten auch Zweifel sowohl theoretischer als auch experimenteller Natur an den Ergebnissen auf. Etwa ein Dutzend andere experimentelle Gruppen haben keinerlei Hinweise auf die Existenz des Θ+ gefunden. Außerdem fanden die Experimente unterschiedliche Massen, die teilweise nicht miteinander kompatibel waren. Besonders überraschend war die geringe Zerfallsbreite, die noch deutlich unter dem vorhergesagten Wert von Diakonov, Petrov und Polyakov lag. Das Pentaquark würde damit über 100 Mal länger leben als andere Teilchen mit vergleichbarer Masse.

Die CLAS Collaboration am Jefferson Laboratory in Newport News, Virginia, USA, unter der Leitung von Raffaella de Vita hat schließlich ein gezieltes Experiment zur Untersuchung der Pentaquark-Hypothese unternommen. In dieser bisher umfassendsten Untersuchung ergaben sich keinerlei Hinweise auf die Existenz von Pentaquarks. Infolgedessen gehen diese Wissenschaftler davon aus, dass die bisherigen Nachweise von Pentaquarks auf falsch interpretierten Daten beruhen. Diese Arbeit ist in der April-Ausgabe 2005 der Zeitschrift Nature zu finden.[5] Auch die Particle Data Group kommt 2006 und zuletzt 2008[6] zu der Schlussfolgerung, dass die ersten Meldungen einer Entdeckung 2003/2004 (damals durch mindestens 9 Gruppen in der Nachfolge der Erstentdecker) durch die Mehrzahl der nachfolgenden Experimente, die eine erheblich höhere Statistik aufwiesen, widerlegt waren.

2007 fanden Wissenschaftler der Kollaboration GRAAL beim Beschuss eines Nukleons mit Photonen Hinweise auf einen sehr schmalen Zustand (eine Baryonenresonanz) mit einer relativ hohen Lebensdauer (etwa zehnmal höher als typische Baryonenresonanzen). Er wurde N*(1685) (N-Star) getauft. Die Eigenschaften (Masse, Zerfallsbreite) decken sich mit den theoretischen Vorhersagen für ein Mitglied mit nicht-exotischen Quantenzahlen des minimal möglichen Dekupletts, das das hypothetische Pentaquark umfasst – Voraussagen, die Maxim Polyakov und andere bereits 2004 trafen.[7] Das Experiment, bei dem das N* entdeckt wurde, wurde durch Wissenschaftler am ELSA in Bonn bestätigt.[8][9]

2013 gab die DIANA-Kollaboration in Moskau bekannt, dass sie Pentaquarks beobachtet habe.[10]

Die Entdeckung der Pentaquarks[Bearbeiten]

Feynman-Diagramm des Zerfalls des Lambda-b-Baryon in Kaon und Pentaquark

Am 13. Juli 2015 berichteten LHCb-Forscher von der Entdeckung zweier Pentaquark-Charmonium-Zustände (Pentaquarks mit Beteiligung von Charm- und Anti-Charm-Quarks) beim Zerfall des Lambda-b-Baryons \Lambda_b^0 \ in das Kaon \Kappa^- \ und das Pentaquark (uudcc) mit einer statistischen Signifikanz von jeweils mehr als 9 σ, welche die in der Teilchenphysik übliche Schwelle von 5σ für eine Entdeckung deutlich übersteigen. Die beiden Pentaquark-Charmonium-Zustände Pc(4380)+ und Pc(4450)+ bestehen aus zwei Up-Quarks, einem Down-Quark, einem Charm-Quark und einem Anti-Charm-Quark. Der genaue Bindungsmechanismus für die fünf Quarks ist noch unklar. Entweder handelt es sich um ein festes Gebilde aus fünf eng beieinander liegenden Quarks oder um eine Art lockeres Gebilde aus drei und zwei eng beieinander liegenden Quarks.[1][2][11]

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in \Lambda_b^0 \to J/\psi K^- p decays. 13. Juli 2015, abgerufen am 13. Juli 2015 (englisch).
  2. a b Observation of particles composed of five quarks, pentaquark-charmonium states, seen in \Lambda_b^0 \to J/\psi p K^- decays. 14. Juli 2015, abgerufen am 14. Juli 2015 (englisch).
  3. H. J. Lipkin: New possibilities for exotic hadrons — anticharmed strange baryons. In: Physics Letters B. 195, Nr. 3, 1987, S. 484–488. Bibcode: 1987PhLB..195..484L. doi:10.1016/0370-2693(87)90055-4.
  4. arXiv:hep-ph/9703373
  5. Mark Peplow: Doubt is cast on pentaquarks. In: news@nature. 2005, S. , doi:10.1038/news050418-1.
  6. Update der PDG zu Pentaquarks 2008, pdf Datei.
  7. Polyakov und andere, Preprint 2004, arXiv:nucl-th/0312126; unabhängig davon Diakonov und andere 2004.
  8. V. Kuznetsov, M. V. Polyakov: New narrow nucleon N*(1685). In: JETP Letters. Springer, 2008. arXiv:0807.3217
  9. Meldung über Entdeckung des N*, 2009, Internet-Chemie.
  10. DIANA Kollaboration: Observation of a narrow baryon resonance with positive strangeness formed in K+ Xe collisions. 5. Juli 2013, abgerufen am 12. Juli 2013 (englisch).
  11. Ian Sample: Large Hadron Collider scientists discover new particles: pentaquarks. The Guardian, 14. Juli 2015, abgerufen am 14. Juli 2015 (englisch).