Ein solches eher ungewöhnliches Endprodukt besteht aus drei Teilchen – zwei sind ziemlich gewöhnliche, nämlich Pionen (ein seit langem bekanntes Teilchen, dass sich aus einem up-Quark und einem Down-Antiquark oder umgekehrt zusammensetzt – je nachdem hat man ein positives oder negatives Pion). Das andere Teilchen ist das J/Ψ, ein Teilchen, das aus einem Charm-Quark und einem Charm-Antiquark besteht. (Es ist das einzige Teilchen, das einen Doppelnamen trägt – es wurde in den 70er Jahren von zwei Gruppen nahezu gleichzeitig entdeckt, die eine wollte es J nennen, die andere ψ; um niemandem auf die Füße zu treten, hat man sich dann auf den Doppelnamen geeinigt.)
Das J/Ψ ist deswegen ein wichtiges Teilchen, weil es aus einem Quark und seinem Antiquark besteht – es war seinerzeit der Beweis dafür, dass es ein viertes Quark, nämlich eben das Charm-Quark, geben muss. (Neben dem up- und down kannte man schon das strange-Quark. Inzwischen kennen wir noch das Top- und das Bottom-Quark.)
Man sortiert jetzt aus allen denkbaren Zerfällen nur diejenigen heraus, bei denen zwei Pionen (ein positives und ein negatives) und ein J/Ψ entstanden sind. (Diese Teilchen erkennt man daran, dass sie auf charakteristische Weise weiter zerfallen, was man dann in den Detektoren feststellen kann, aber über Detektoren schreibe ich jetzt nichts, sonst kommen wir nie zum “Tetra-Pak”. Der Begriff “Endprodukt” oben ist aber deswegen mit etwas Vorsicht zu genießen, weil die teilchen ja nicht stabil bleiben.) Man beschränkt sich also auf den Prozess
Elektron + Positron → π+ + π– + J/Ψ
Dieser Prozess sollte mit einer bestimmten Häufigkeit stattfinden – er ist ja einer von vielen möglichen Prozessen, und weil man die beteiligten Teilchen gut kennt, kann man ziemlich gut berechnen, wie oft man diesen Prozess bei unterschiedlichen Energien finden sollte.
Diese beiden Plots hier zeigen das Ergebnis, einmal das aus Japan und einmal das aus China. Aufgetragen ist jeweils die Wahrscheinlichkeit für den Prozess (geeignet normiert) gegen die Energie.
[1]
[2]Lasst euch nicht verwirren – wichtig sind für uns nur zwei Kurven: Die blauen Kurven (einmal gestrichelt, einmal nicht) geben an, was man erwarten würde, die Datenpunkte mit den Fehlerbalken zeigen das, was man tatsächlich findet und die roten Kurven sind ein Fit durch diese Datenpunkte. (Ob sich die Teams beim Erstellen der Bilder abgesprochen haben und deshalb genau dasselbe farbschema verwenden oder ob das daran liegt, dass sie dieselbe Software haben, weiß ich nicht.)
Bei einer Energie von etwa 3,9GeV findet man also eine deutlich höhere Wahrscheinlichkeit für den oben hingeschriebenen Prozess, als man eigentlich erwarten würde. So etwas passiert immer dann, wenn sich ein zusammengesetztes Teilchen bilden kann – auch andere Elementarteilchen (wie etwa das Higgs) hat man genau durch solche erhöhte Wahrscheinlichkeiten nachgewiesen. (Leicht vereinfacht kann man sich das so erklären, dass ein zusätzliches Teilchen eben auch eine zusätzliche Möglichkeit für einen Prozess liefert, so dass die Wahrscheinlichkeit insgesamt größer wird.)
Alles spricht also dafür, dass bei dieser Energie ein neues Teilchen gebildet wird – das als Zc(3900) bezeichnet wird – dabei steht der Index c dafür, dass hier Charm-Quarks im Spiel sind, die 3900 gibt die Energie an (3900 Mega-eV, entsprechend 3,9GeV).
Jetzt fragt man sich natürlich, was für ein Teilchen es sein könnte. Unsere Reaktion sieht jetzt so aus:
Elektron + Positron → π+/- + Zc(3900)-/+ → π+ + π– + J/Ψ
Als Zwiaschenprodukt entsteht ein Pion und unser neues Zc-Teilchen, wobei die beiden entgegengesetzt geladen sein müssen (damit die gesamte elektrische Ladung Null ist).
Das Zc zerfällt seinerseits in ein Pion und in ein J/Ψ, also in zwei Teilchen, die insgesamt aus 4 Quarks bestehen. Und das zeigt die Möglichkeit auf, dass das Zc selbst auch aus 4 Quarks besteht – und das ist hier das entscheidende.
Kommentare (67)