Physik: Schwerer Bruder des Protons wurde erstmals nachgewiesen

In der Welt der Teilchenphysik geht es oft um winzige Bausteine, aus denen die sichtbare Materie des Universums zusammengesetzt ist. Zu den bekanntesten gehören Protonen und Neutronen, die gemeinsam die Atomkerne bilden. Doch diese Teilchen sind nicht unteilbar, sondern bestehen selbst aus noch kleineren Bestandteilen: den Quarks. Seit Jahrzehnten versuchen Physiker:innen zu verstehen, in welchen Kombinationen diese Quarks auftreten können und welche Kräfte sie dabei zusammenhalten. Nun ist dabei ein weiterer wichtiger Schritt gelungen: Forschende haben erstmals ein außergewöhnlich schweres Teilchen nachgewiesen, das als eine Art „schwerer Bruder“ des Protons gilt.

Ein Proton, nur deutlich schwerer

Protonen bestehen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Das neu entdeckte Teilchen folgt demselben Grundprinzip eines dreiteiligen Baryons, ersetzt aber zwei der leichten Quarks durch Charm-Quarks. Dadurch entsteht eine deutlich massereichere Variante, die rund viermal so schwer ist wie ein gewöhnliches Proton. Stabil ist dieses Teilchen allerdings nicht. Es zerfällt fast unmittelbar nach seiner Entstehung in andere, besser nachweisbare Teilchen. Genau aus diesen Zerfallsprodukten rekonstruieren Physiker:innen dann rückwirkend die Eigenschaften des ursprünglichen Teilchens. Der Nachweis gelingt also nicht durch direkte Beobachtung, sondern durch die Spuren, die das Teilchen hinterlässt.

Entdeckung mit Hindernissen

Das Teilchen mit dem Namen Ξcc⁺ war in der Physik schon lange vorhergesagt worden. Bereits vor rund 50 Jahren vermuteten Theoretiker:innen, dass ein solches Baryon existieren müsste. Doch selbst an modernen Teilchenbeschleunigern entsteht es nur sehr selten. Hinzu kommt, dass es extrem kurz lebt und deshalb besonders schwer von anderen Prozessen zu unterscheiden ist. Ein eng verwandtes Schwesterteilchen, das Ξcc⁺⁺, war zwar bereits 2017 nachgewiesen worden. Beim nun entdeckten Ξcc⁺ ist die Suche jedoch komplizierter, weil seine Lebensdauer noch einmal deutlich geringer ausfällt. In der CERN-Mitteilung heißt es, es könne bis zu sechsmal kürzer leben als sein bereits bekanntes Gegenstück.

Ermöglicht wurde der Fund durch neue Daten aus dem dritten Lauf des Large Hadron Collider und durch Verbesserungen am LHCb-Detektor. Die statistische Sicherheit des Signals liegt laut CERN bei 7 Sigma und erfüllt damit deutlich die Anforderungen, die in der Teilchenphysik an eine Entdeckung gestellt werden. LHCb-Sprecher Vincenzo Vagnoni sprach von einem Ergebnis, das helfen werde, theoretische Vorhersagen besser zu überprüfen.

Ein neuer Testfall für die starke Wechselwirkung

Für die Forschung ist der Fund weit mehr als die bloße Erweiterung einer Teilchenliste. Solche Baryonen mit zwei schweren Charm-Quarks gelten als besonders interessante Testobjekte für die Quantenchromodynamik. Diese Theorie beschreibt die starke Wechselwirkung, also jene fundamentale Kraft, die Quarks aneinander bindet und so Protonen, Neutronen und andere Hadronen formt. Gerade bei Teilchen mit schweren Quarks lassen sich theoretische Modelle oft besonders gut auf die Probe stellen, weil ihre innere Dynamik andere Eigenschaften zeigt als die gewöhnlicher Materiebausteine.

CERN-Generaldirektor Mark Thomson bezeichnete die Entdeckung als Beispiel dafür, wie technische Verbesserungen in Experimenten direkt zu neuen wissenschaftlichen Ergebnissen führen können. Mit dem Nachweis des Ξcc⁺ wächst nicht nur das Wissen über eine seltene Teilchenfamilie. Die Entdeckung liefert auch ein weiteres Puzzlestück für die grundlegende Frage, wie Materie im Innersten aufgebaut ist und wie zuverlässig die heutige Physik diese Strukturen bereits beschreiben kann.

via CERN