Beweis für die Existenz eines tief gebundenen Dibaryons, das vollständig aus Beauty-Quarks besteht

Dibaryonen sind die subatomaren Teilchen, die aus zwei Baryonen bestehen. Ihre Entstehung durch Baryon-Baryon-Wechselwirkungen spielt eine grundlegende Rolle bei der Urknall-Nukleosynthese, bei Kernreaktionen, einschließlich solcher in stellaren Umgebungen, und stellt eine Verbindung zwischen Kernphysik, Kosmologie und Astrophysik her.

Interessanterweise ermöglicht die starke Kraft, die der Schlüssel zur Existenz von Kernen ist und den größten Teil ihrer Masse liefert, die Bildung zahlreicher anderer Dibaryonen mit verschiedenen Kombinationen von Quarks. Wir beobachten sie jedoch nicht im Überfluss – Deuteron ist das einzige bekannte stabile Dibaryon.

Um diese scheinbare Dichotomie aufzulösen, ist es wichtig, Dibaryonen und Baryon-Baryon-Wechselwirkungen auf der fundamentalen Ebene starker Wechselwirkungen zu untersuchen. In einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung in Briefe zur körperlichen Überprüfunghaben Physiker des Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) und des Institute of Mathematical Science (IMSc) starke Beweise für die Existenz eines tief gebundenen Dibaryons geliefert, das vollständig aus Bottom (Beauty)-Quarks aufgebaut ist.

Mithilfe der Rechenanlage der Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI) haben Prof. Nilmani Mathur und die Doktorandin Debsubhra Chakraborty vom Institut für Theoretische Physik, TIFR, und Dr. M. Padmanath vom IMSc die Existenz dieses subatomaren Teilchens vorhergesagt. Das vorhergesagte Dibaryon (D6b) besteht aus zwei Omega-Baryonen mit dreifachem Boden (Ωbbb) und hat den maximalen Schönheitsgeschmack.

Es wird vorausgesagt, dass seine Bindungsenergie bis zu 40-mal stärker ist als die des Deuterons, was es möglicherweise zum am stärksten gebundenen schönen Dibaryon in unserem sichtbaren Universum berechtigt. Dieser Befund verdeutlicht die faszinierenden Merkmale starker Kräfte in Baryon-Baryon-Wechselwirkungen und weist den Weg für eine weitere systematische Untersuchung der Quarkmassenabhängigkeit von Baryon-Baryon-Wechselwirkungen, die möglicherweise die Entstehung von Bindungen in Kernen erklären können.

Es motiviert auch dazu, in Experimenten der nächsten Generation nach solchen schwereren exotischen subatomaren Teilchen zu suchen.

Da die starke Kraft im Niederenergiebereich in hohem Maße störungsfrei ist, gibt es noch keine analytische Lösung nach dem Prinzip der ersten Prinzipien, um die Strukturen und Wechselwirkungen von zusammengesetzten subatomaren Teilchen wie Protonen, Neutronen und den Kernen, die sie bilden, zu untersuchen. Die Formulierung der Quantenchromodynamik (QCD) auf Raum-Zeit-Gittern, basierend auf einer komplizierten Verschmelzung zwischen einer fundamentalen Theorie und Hochleistungsrechnen, bietet eine Gelegenheit für solche Studien.

Es erfordert nicht nur ein ausgeklügeltes Verständnis der quantenfeldtheoretischen Probleme, sondern auch die Verfügbarkeit umfangreicher Rechenressourcen ist von entscheidender Bedeutung. Tatsächlich werden einige der größten wissenschaftlichen Rechenressourcen der Welt von Theoretikern der Gittermaße genutzt, die versuchen, das Geheimnis der starken Wechselwirkungen unseres Universums durch ihre Untersuchungen innerhalb der Femto-Welt (innerhalb einer Größenordnung von etwa einer Million milliardstel Meter).

Gitter-QCD-Rechnungen können auch eine entscheidende Rolle beim Verständnis der Kernbildung beim Urknall und ihrer Reaktionsmechanismen spielen, bei der Suche nach der Physik jenseits des Standardmodells sowie bei der Untersuchung der Materie unter den extremen Bedingungen hoher Temperatur und Dichte ähnlich denen in den frühen Stadien des Universums nach dem Urknall.