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Teilchen und Strahlung

Neu: Quarks im Quartett

Zuwachs für den Teilchenzoo: Zwei Forschergruppen haben einen bisher unbekannten Materiezustand entdeckt - ein Teilchen, das aus vier Quarks besteht. In Urzeiten gehörten solch exotische Zustände zur Standardausstattung des Universums, erklärt der österreichische Physiker Christoph Schwanda.

Interview 21.06.2013

science.ORF.at: Bei Teilchenkollisionen in China und Japan ist ein neuartiger Materiezustand aufgetaucht. Was ist das Neue daran?

Christoph Schwanda: Die bisher bekannten Materieteilchen bestehen entweder aus drei Quarks, wie etwa die Protonen, oder aus zwei Quarks. Das neu entdeckte Teilchen soll nun aus vier Teilchen bestehen - das ist das Neue daran.

Sind Quarks die Atome der Gegenwart - also unteilbar?

Laut unserem gegenwärtigen Verständnis sind die Quarks elementare und somit unteilbare Bausteine der Materie. Allerdings kommen einzelne Quarks in der Natur nicht vor. Die Theorie, die das erklärt, ist die sogenannte Quantenchromodynamik, kurz QCD.

Warum sind Zweier- und Dreierkombinationen so häufig anzutreffen und vier Quarks nicht?

Christoph Schwanda

Christoph Schwanda

Zur Person

Christoph Schwanda hat an der TU Wien Physik studiert, nach Forschungsaufethalten am CERN in der Schweiz sowie in Japan kam er 2003 ans Institut für Hochenergiephysik in Wien. Dort ist er seit 2006 Gruppenleiter des Belle-Experiments.

Das ist letztlich ein Erfahrungswert. In der Liste der entdeckten Teilchen, dem sogenannten Particle Data Book, sind einige Tausend Teilchen vermerkt. Bislang waren eben nur solche dabei, die aus zwei oder drei Quarks bestehen. Es gab bereits früher Hinweise, dass es auch Viererkombinationen geben könnte, die sind aber allesamt verstorben: Sie konnten von anderen Experimente nicht bestätigt werden.

Aber die Theorie schließt nicht aus, dass es auch größere Kombinationen geben könnte?

Nein, sie schließt es nicht aus. Die QCD ist Teil des Standardmodells der Elementarteilchen. Sie hat sich bestens bewährt und wurde schon mit einigen Nobelpreisen ausgezeichnet. Sie hat nur ein Problem: Man kann sie nur bei hohen Energien lösen. Bei niedrigen Energien sind wir auf Näherungsverfahren mit dem Computer angewiesen. Das ist der Grund, warum dieses Ergebnis nicht erwartet wurde: Die Theorie sagt solche Zustände nicht vorher, aber es gibt kein Naturgesetz, das dieses Ergebnis verbieten würde.

Ist dieser neue Zustand real? Oder könnte er sich als Artefakt erweisen?

Das Interessante ist: Der Zustand wurde von zwei unabhängigen Experimenten gesehen. Beim Belle-Experiment im japanischen Forschungszentrum für Teilchenphysik (KEK) sowie bei Teilchenkollisionen mit dem Beijing-Spektrometer (BES III) in China. Dieser Zustand muss nun auch beim BarBar-Experiment in Kalifornien zu sehen sein. Wenn das zutreffen sollte, wird es wirklich spannend.

Könnte das Quark-Quartett auch bei den Kollisionen am LHC, dem großen Teilchenbeschleuniger des CERN, entstanden sein?

Im Prinzip ja. Nur sind die Energien am LHC etwa 1.000 Mal höher als beim Belle-Experiment. Daher gibt es viel mehr Wechselwirkungen zwischen den Teilchen, was den Nachweis deutlich komplizierter macht.

Das Belle-Team schreibt in seiner Studie: Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei dem Signal um eine statistische Fluktuation handelt, beträgt eins zu 3,5 Millionen. Damit sollten eigentlich alle Zweifel beseitigt sein.

Nicht unbedingt. Es könnte nämlich sein, dass man eine systematische Verzerrung oder eine Interferenz zwischen Teilchen übersehen hat. Die Analyse solcher Daten ist nicht einfach. Man muss Hintergrundreaktionen abschätzen, die vielfach nicht genau bekannt sind. Es gibt also noch alternative Erklärungen.

Das neue Teilchen hat den eigenartigen Namen Z(3900). Warum?

"Z" steht für einen geladenen Zustand. Dass das neue Teilchen geladen ist, macht es im Übrigen sehr interessant, weil damit konventionelle Erklärungen, die wir in der Fachsprache "Charmonium-Zustände" nennen, nicht möglich sind. Die Zahl im Namen steht für die Masse: Das neue Teilchen hat ungefähr vier Protonenmassen - beziehungsweise 3.900 Megaelektronenvolt.

Das Teilchen ist allerdings sehr kurzlebig.

Stimmt, es existiert nur für 10 hoch minus 23 Sekunden. Das ist das Zehntausendstel einer Attosekunde. Dieses Teilchen ist ein experimentelles Kunstprodukt, es ist nicht Teil unserer Umgebung.

Könnte es in Urzeiten des Kosmos zur Standardausstattung der Natur gehört haben?

Das muss es sogar, falls der Nachweis korrekt ist. Die Energien bei den Experimenten entsprechen jenen Zuständen, die kurz nach dem Urknall im Universum geherrscht haben. Ich wurde kürzlich gefragt, ob dieser Fund mit der Entdeckung des Higgs-Teilchens vergleichbar ist. Das war ein ganz anderes Kaliber: Ohne Higgs-Teilchen wäre das Standardmodell nicht funktionsfähig. Der neue Zustand ist interessant, aber nicht notwendig für die Theorie. Er ist im Vergleich dazu nur ein Randthema.

Sehen Sie bei diesem Teilchen eine Verbindung zur "neuen Physik", nach der sich viele Fachleute sehnen?

Die Notwendigkeit, dass es jenseits des Standardmodells eines "neue Physik" gibt, kommt vor allem aus der Kosmologie. Die Teilchen, die das Standardmodell beschreibt machen nämlich nur fünf Prozent der Energie des Universums aus. Bei 95 Prozent wissen wir nicht, woraus sie bestehen. Diese noch unbekannten Teilchen sollten im Prinzip bei hohen Energien in Teilchenbeschleunigern herzustellen sein. Der neue Materiezustand ist aber garantiert kein Kandidat für die Dunkle Materie oder Dunkle Energie.

Das heißt, sie sind durch die neuen Resultate nur mäßig aufgeregt?

Die ersten Hinweise auf Vier-Quark-Zustände sind bereits im Jahr 2006 aufgetaucht. Hätte ich mich seitdem im Zustand permanenter Erregung befunden, wäre das nicht sehr gesund.

Interview: Robert Czepel

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