LHCb-Kollaboration beobachtet erstmals ein doppelt geladenes Tetraquark und seinen neutralen Partner

Die Beobachtung schwer fassbarer, exotischer Teilchen ist das Hauptziel unzähliger Studien, da sie neue Wege für die Forschung eröffnen und gleichzeitig das derzeitige Wissen über die im Universum enthaltene Materie und die ihr zugrunde liegende Physik verbessern könnte. Das Quark-Modell, ein 1964 eingeführtes theoretisches Modell, sagte die Existenz elementarer subatomarer Teilchen, sogenannter Quarks, in ihren verschiedenen Konfigurationen voraus.

Quarks und Antiquarks (das Antimaterie-Äquivalent der Quarks) sind vermutlich Bestandteile verschiedener subatomarer Teilchen. Dazu gehören „konventionelle“ Teilchen wie Mesonen und Baryonen sowie komplexere Teilchen, die aus vier oder fünf Quarks (also Tetraquarks bzw. Pentaquarks) bestehen.

Das Large Hadron Collider Beauty (LHCb)-Experiment, ein Forschungsprojekt, an dem eine große Gruppe von Forschern an verschiedenen Instituten weltweit beteiligt ist, versucht seit über einem Jahrzehnt, einige dieser faszinierenden Teilchen zu beobachten, und nutzt dabei Daten, die am LHC-Teilchenbeschleuniger des CERN in der Schweiz gesammelt wurden. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Briefe zur körperlichen UntersuchungSie berichteten über die allererste Beobachtung eines doppelt geladenen Tetraquarks und seines neutralen Partners.

„Im letzten Jahrzehnt hat das LHCb-Experiment Pionierarbeit bei der Entdeckung sogenannter exotischer Teilchen geleistet“, sagte Yasmine Sara Amhis, Physikkoordinatorin des LHCb-Experiments, gegenüber Phys.org. „Der LHCb entdeckte 2015 das erste Pentaquark. und dies ebnete den Weg zu vielen anderen Erkenntnissen. Das Hauptziel der LHCb-Forschung zu exotischen Teilchen besteht darin, herauszufinden, welche Tetraquarks und Pentaquarks existieren, und ihre Eigenschaften zu kartieren, insbesondere die anderen Teilchen, in die sie zerfallen, und ihre Quantenzahlen aufzudecken.“

Derzeit gibt es mehrere verschiedene phänomenologische Modelle, die Tetraquarks und Pentaquarks beschreiben und insbesondere vorhersagen, wie Quarks an die Bildung dieser Teilchen gebunden sind. Durch die Beobachtung dieser Teilchen und die Messung ihrer Eigenschaften könnte die LHCb-Zusammenarbeit dabei helfen, festzustellen, welche dieser Modelle korrekt sind, und gleichzeitig Diskrepanzen oder Ungenauigkeiten zu identifizieren.

Im Rahmen ihrer aktuellen Studie analysierten die Forscher Daten, die während der ersten beiden Versuchsläufe des LHC gesammelt wurden. Diese erstreckten sich über einen Zeitraum von zwei Jahren, zwischen 2011 und 2018.

„Die Analyse, die zu dieser Entdeckung führte, ist sehr anspruchsvoll und man kann mit Recht sagen, dass sie ein Beispiel für eine der ‚schwierigsten‘ Studien ist, die im Rahmen unserer Zusammenarbeit durchgeführt wurden“, erklärte Amhis. „Der Ursprungsname des LHCb-Experiments geht auf das historische Hauptthema der Forschung zurück, das sich auf B-Quarks und ihre Produkte konzentrierte. Das in diesem Artikel beschriebene Tetraquark-Paar wurde mithilfe einer Technik namens Amplitudenanalyse beobachtet. Dieser Ansatz antwortet.“ über das Quantenverhalten von Teilchen und ihre Fähigkeit, untereinander zu interferieren.“

Die komplexe Analyse der LHCb-Kollaboration könnte als kombinierte Analyse mit Schwerpunkt auf Symmetrien beschrieben werden. Symmetrien sind in der Teilchenphysik von entscheidender Bedeutung und spielen eine wichtige Rolle im sogenannten Standardmodell, der leitenden Theorie der Teilchen und der sie beherrschenden Kräfte.

„Symmetrien sind auch deshalb wirkungsvoll, weil sie es ermöglichen, Ähnlichkeiten und Beziehungen zwischen Teilchen abzuleiten“, sagte Amhis. „Isospin, die Symmetrie, die die beiden in diesem Artikel aufgeführten Teilchen in Beziehung setzt, besagt, dass ihre Masse und Breite gleich sind. Dadurch kann die kombinierte Analyse empfindlicher auf die Eigenschaften dieser Teilchen reagieren, als es eine einzelne Analyse jedes Isospin-Partners könnte.“ gewesen sein.“

Bis heute hat die LHCb-Kollaboration über 600 Arbeiten veröffentlicht, in denen erstmals mehrere Teilchen und physikalische Phänomene beobachtet wurden. Die meisten ihrer Studien bestätigten die Robustheit und Zuverlässigkeit des Standardmodells der Teilchenphysik, einige führten jedoch auch zu aufregenden neuen Entdeckungen.

„Artikel wie dieser zeigen, dass Entdeckungen, auch einige unerwartete, weiterhin möglich sind“, sagte Amhis. „Mehr als 70 neue hadronische Teilchen wurden am LHC entdeckt, bei weitem die meisten davon am LHCb. Je mehr wir darüber erfahren, welche Hadronen existieren und welche Eigenschaften sie haben, desto mehr verstehen wir die starke Kraft, eine der vier Grundkräfte in Natur, die Quarks zu Hadronen bindet. Dieses Verständnis wiederum öffnet neue Türen bei der Suche nach Physik jenseits des Standardmodells, indem es die mit solchen Suchen verbundenen theoretischen Unsicherheiten verringert, die durch ein unvollständiges Verständnis der starken Kraft verursacht werden.

Die jüngsten Arbeiten des LHCb könnten bald in weitere theoretische und experimentelle Studien zur Untersuchung der Physik von Tetraquarks einfließen. Mittlerweile hat der dritte Datenerfassungslauf des LHC begonnen und die Zusammenarbeit hat seine Ausrüstung erheblich verbessert.

Während dieses dritten Laufs erwartet der LHCb, im Vergleich zu früheren Versuchsläufen fünfmal mehr Daten pro Jahr zu sammeln. Sie hoffen, dass diese neuen Daten zu weiteren faszinierenden Entdeckungen und Beobachtungen führen werden.

„Es wird erwartet, dass der verbesserte Detektor insbesondere bei der Untersuchung von Hadronen einen weiteren Faktor von zwei erreichen wird, also insgesamt einen Faktor von 10“, fügte Amhis hinzu.

„Darüber hinaus verfügt LHCb jetzt über ein deutlich verbessertes System zum Einspritzen von Gasen in das Detektorvolumen, sodass nicht nur Protonenkollisionen, sondern auch die Kollision von Protonen mit einer Vielzahl von Kernen untersucht werden können. Dies öffnet eine weitere Tür zum Verständnis.“ exotische Hadronen, indem wir ihre Entstehung bei verschiedenen Arten von Kollisionen untersuchen. In unseren nächsten Arbeiten planen wir, alle Achsen zu verfolgen, um ein tieferes Verständnis dieser Teilchen zu erlangen: Suche nach neuen exotischen Hadronen, genauere Messung der Eigenschaften bekannter exotischer Hadronen und auf der Suche nach bekannten und neuen exotischen Hadronen in verschiedenen Arten von Kollisionen.“

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