Power to the Pentaquark

About Quarks

Was ist in einem Atom? Was ist in einem Proton? Das sind Fragen, die sich Physiker stellen, die versuchen, die Materie auf der grundlegendsten Ebene zu verstehen.

Ein Atom enthält einen Kern, der aus Protonen und Neutronen besteht und von einer Wolke von Elektronen umgeben ist. Experimente, die in die Tiefe gehen, zeigen, dass die Elektronen keine Struktur aufweisen, die Protonen und Neutronen jedoch schon. Sie enthalten fundamentale Teilchen, so genannte Quarks, die sich gegenseitig so stark anziehen, dass sie unter normalen Bedingungen nicht als freie Teilchen existieren können. Kosmologen stellen die Theorie auf, dass die Quarks unter den unglaublichen Bedingungen direkt nach dem Urknall frei im so genannten Quark-Gluon-Plasma existieren könnten, einem Materiezustand, den einige Teilchenphysiker im Labor zu erzeugen versuchen. (Siehe Nuclei Knockdown)

Diagramm der Quarkstruktur von Protonen und Neutronen (Diagramm mit freundlicher Genehmigung des Brookhaven National Laboratory)

Woher wissen wir, dass Quarks existieren? Wir müssen es aus indirekten Messungen ableiten, da wir ein freies Quark nicht beobachten können. Wenn zum Beispiel sehr energiereiche Elektronen mit Protonen kollidieren, zeigt die Verteilung der Teilchen nach der Kollision, dass es winzige Teilchen im Inneren der Protonen gibt.

Quarks gibt es in sechs vielsagenden „Geschmacksrichtungen“ – up, down, strange, charmed, bottom und top – und für jede davon gibt es ein Antiqark. (Siehe The Buzz about Antimatter)

Kombinationen der up- und down-Quarks bilden die Kernteilchen – zwei up-Quarks und ein down-Quark für das Proton und ein up-Quark und zwei down-Quarks für das Neutron, wie in der Abbildung dargestellt. Die Ladungen der Quarks ergeben zusammen die Ladung des Protons und des Neutrons, wie unten und in der Tabelle dargestellt.

Proton = up-Quark + up-Quark + down-Quark
Ladung des Protons:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3

Neutron = up-Quark + down-Quark + down-Quark
Ladung des Neutrons:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3

Eine andere Art von Teilchen, das Meson, besteht aus zwei Quarks, genauer gesagt aus einem Quark und einem Anti-Quark. Das pi-plus beispielsweise besteht aus einem up-Quark und einem anti-down-Quark. Damit haben wir zwei Arten von Teilchen, die aus Quarks bestehen: die subatomaren Teilchen des Kerns (Proton und Neutron) und die Mesonen. Könnte es noch mehr geben?

Forschung

Nach dem Standardmodell bestehen Protonen, Neutronen, pi-Mesonen und andere verwandte Teilchen aus verschiedenen Kombinationen von Quarks. In dieser Theorie ist ein Teilchen, das aus fünf Quarks besteht – der Pentaquark – möglich. In der Physik gibt es ein altes Sprichwort: „Alles, was nicht verboten ist, ist notwendig“. Vielleicht mit diesem Gedanken im Hinterkopf suchen Physiker seit 30 Jahren nach dem Fünf-Quark-Teilchen. Im Jahr 1997 erhielt diese Suche eine neue Richtung, als drei russische Physiker vorhersagten, dass das Pentaquark, das aus zwei Up-Quarks, zwei Down-Quarks und einem Anti-Strange-Quark besteht, etwa die 1.Das Pentaquark, das aus zwei Up-Quarks, zwei Down-Quarks und einem Anti-Range-Quark besteht, hat etwa die 1,5-fache Masse des Protons und kann mit der heutigen Technologie der Teilchenphysik nachgewiesen werden.

Die Erzeugung eines Pentaquarks durch die Absorption eines Gammastrahls (Wackellinie) durch einen Atomkern. Das Pentaquark zerfällt so schnell, dass es nicht beobachtet werden kann, so dass seine Existenz aus der Beobachtung der Gammastrahlen und der K+-Mesonen, die beim Zerfall des Pentaquarks entstehen, abgeleitet werden muss (Bild mit freundlicher Genehmigung von Physics News Graphics, American Institute of Physics).

Der K-Meson-Detektor im Jefferson Lab (JLab), einem der Labore, in denen das Pentaquark beobachtet wurde (Foto mit freundlicher Genehmigung von Greg Adams, Jefferson Lab).

Das Pentaquark wird durch Beschuss leichter Kerne mit hochenergetischer Gammastrahlung erzeugt, wie im Diagramm dargestellt. Das Pentaquark selbst kann nicht nachgewiesen werden, da es nur etwa 10-20 Sekunden lebt, bevor es in ein Neutron und ein K+-Meson zerfällt (siehe oberer rechter Teil des Diagramms). Durch die Beobachtung des Mesons und der Gammastrahlung wurde das Pentaquark nachgewiesen, und drei weitere Experimente haben dieses Ergebnis bestätigt.

Diese exotische neue Art von Teilchen hat in der Welt der Physik großes Aufsehen erregt. Wie so oft hat die Entdeckung interessante neue Fragen aufgeworfen, denn es stellt sich heraus, dass die Theorie, die die Experimentatoren zu ihrer Entdeckung geführt hat, nicht alle Eigenschaften des Pentaquarks korrekt vorhersagt. Eine konkurrierende Theorie ist bereits erschienen, und da beide Theorien noch unentdeckte Teilchen mit unterschiedlichen Massen vorhersagen, könnten künftige Experimente diese Unstimmigkeit auflösen. Auf jeden Fall ist es eine aufregende Zeit in der Teilchenphysik.

Links

Lawrence Berkeley National Lab

• Das Teilchenabenteuer

Stanford Linear Accelerator

• Teilchentheorie

The Exploratorium/CERN

• Das Standardmodell

Bau des Detektors im Jefferson Lab (Foto mit freundlicher Genehmigung des Jlab/Department of Energy).