Alles um uns herum besteht ja aus einigen wenigen Sorten von Elementarteilchen – da sind zum einen die Elektronen, die z.B. für chemische und elektrische Phänomene verantwortlich sind und die meist an Atomkerne gebunden sind. Zum anderen sind da die Bestandteile der Atomkerne – Protonen und Neutronen. Diese bestehen wiederum aus weiteren Elementarteilchen, den Quarks.
Quarks gibt es zunächst mal in unterschiedlichen Sorten. In unserer gewöhnlichen Materie finden wir sogenannte up- und down-Quarks. (Die Namen haben hier keine besondere Bedeutung.) Dann gibt es noch die Quarksorten “charm” und “strange” sowie “top” und “bottom” (früher auch gern als “truth” und “beauty” bezeichnet, aber das hat sich nicht durchgesetzt). Drei Quarks können sich zusammentun und eben Teilchen wie Protonen oder Neutronen bilden – ein Proton besteht aus uud (also zwei up- und einem down-Quark), ein Neutron aus udd. Teilchen, die die anderen Quark-Sorten beinhalten, sind nur für sehr kurze Zeit stabil, weil diese Quarks schnell zerfallen. Das Λ-Teilchen zum Beispiel hat die Zusammensetzung uds, aber das s-Quark zerfällt innerhalb von weniger als einer Nanosekunde, und so wird aus dem Λ-Teilchen beispielsweise ein Proton sowie ein anderes Teilchen, das Pion (gucken wir uns gleich an).
Quarks sind elektrisch geladen. In Einheiten der Elektronenladung ist das up-Quark mit einer Ladung von +2/3 versehen, das down-Quark mit -1/3. (Ihr könnt jetzt nachprüfen, dass das für Proton und Neutron passt – beim Proton ist die Gesamtladung +2/3+2/3-1/3=1; beim Neutron +2/3-1/3-1/3=0). Da stellt sich natürlich sofort die Frage, was eigentlich das Proton zusammenhält – immerhin haben wir hier zwei elektrisch gleich geladene Teilchen auf engstem Raum eingesperrt (ein Proton hat einen Durchmesser von so etwa 1.5 Femtometer, also 1,5 mal einem tausendstel billionstel Meter – etwa 100000 mal kleiner als der Durchmesser eines Atoms). Warum fliegt das Proton nicht auseinander? Das bisschen negative Ladung des down-Quarks reicht ja nicht aus, um die positive Ladung zu kompensieren, es muss also etwas anderes geben, das das Proton zu einem stabilen Teilchen macht und am Explodieren hindert.
Dieses “etwas” ist eine weitere Ladung, die die Quarks tragen. Man bezeichnet sie als “Farbladung” – mit echter Farbe hat sie nichts zu tun, der Name ist aber insofern gut gewählt, weil es eine schöne Analogie zwischen dem Verhalten dieser Ladung und dem Verhalten von Farben bei der (additiven) Farbmischung gibt (additiv heißt, dass man Licht mischt, nicht Farbstoffe, wie beim Tuschen, das wäre subtraktive Farbmischung).
Bei der elektrischen Ladungen haben wir ja zwei Ladungstypen, die wir als “plus” und “minus” bezeichnen. Entgegengesetzt geladene Teilchen ziehen sich an – in einem einfachen Bild kann man sich das dadurch vorstellen, dass sie miteinander Teilchen austauschen, nämlich Photonen. In diesem Bild sendet das eine Teilchen ein Photon aus, das andere absorbiert es. (Wer es – sehr viel – genauer wissen will, kann rechts bei den Artikelserien klicken, da gibt es meine von mir oft angepriesene Serie zur Quantenfeldtheorie, in der ihr erfahrt, warum entgegengesetzte Ladungen sich anziehen und wie das mit dem Teilchenaustausch genau funktioniert.) Bei Austauschen des Photons verändern sich die beiden Teilchen selbst nicht, weil das Photon selbst keine elektrische Ladung hat. Das Elektron ist also hinterher immer noch negativ, das Proton positiv.
Addieren sich elektrische Ladungen der Bestandteile eines Teilchens zu Null, dann ist das Teilchen elektrisch neutral – so wie unser Neutron mit seinen drei Quarks, die in der Summe eine Ladung von Null ergeben. Das Neutron als ganzes reagiert also zum Beispiel nicht auf elektrische Felder – deswegen kann man sie zum Beispiel auch nicht in einem elektrischen Feld beschleunigen wie beispielsweise Protonen oder Elektronen.
Bei der Farbladung ist es ähnlich wie beim Neutron, aber komplizierter. In einem Proton oder Neutron findet man drei Quarks in unterschiedlichen Farbe – rot, blau und grün. Genau wie bei der Lichtmischung ist der Zustand als ganzes dann “weiß”, also farbneutral. Die unterschiedlichen Farbladungen ziehen sich dabei gegenseitig an, genauso wie die unterschiedlichen elektrischen Ladungen. Allerdings sind die Austauschteilchen (die den doofen Namen “Gluonen” tragen, weil sie die Protonen und Neutronen zusammenkleben, “Haeronen” oder “Kollonen” hätte doch viel cooler geklungen, aber da hatte wohl gerade niemand ein Latein- oder Griechsich-Lexikon in der Nähe…), also, die Austauschteilchen sind selbst auch geladen. Wenn also ein Quark ein Gluon aussendet, ändert es dabei seine Farbe:
Bilder von Qashqaiilove – Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
Das blaue Quark oben sendet also ein Gluon aus und wird dabei grün. Das ausgesandte Gluon trägt die blaue Ladung dann zum Quark links unten, das entsprechend blau wird. Das aussendende Quark bleibt aber nicht farblos zurück, weil das ausgesandte Gluon nicht bloß eine blaue Farbladung trägt, sondern auch noch eine zweite Farbladung, nämlich Anti-grün. Anti-grün stellt man über die Komplementärfarbe von grün da, also über magenta. Wenn das ursprüngliche blaue Quark ein blau-anti-grünes Gluon aussendet, dann muss es selbst grün werden, sonst wäre die Farbladung nicht konstant – das ist sie aber. Genau wie die elektrische Ladung ist auch die Farbladung eine Erhaltungsgröße.
In einem Neutron wechseln die einzelnen Quarks also ständig die Farbe, indem sie Gluonen austauschen. Hier noch einmal eine kleine Animation dazu:
“Neutron QCD Animation” by Qashqaiilove – Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
Tatsächlich – wen wundert’s – ist diese Darstellung stark vereinfacht. In Wahrheit sind die einzelnen Quarks in einem Neutron in quantenmechanischen Überlagerungszuständen aus unterschiedlichen Farbladungen zu finden; und dasselbe gilt auch für die Gluonen. Wikipedia erklärt das genauer, aber ich gehe hier darauf nicht weiter ein.
Entscheidend ist, dass die Gluonen selbst auch eine – komplizierte – Farbladung tragen. Das bedeutet, dass auch zwei Gluonen miteinenander ein Gluon austauschen und so miteinander wechselwirken können. Gluonen ziehen sich also gegenseitig an.
Elektrische Wechselwirkungen veranschaulicht man ja gern über elektrische Felder, so wie in dieser schicken Darstellung:
Das Feld breitet sich dabei stark nach Außen aus und auch in großer Entfernung ist es noch zu messen (auch wenn das Feld eines Dipols nach Außen schneller abfällt als das einer einzelnen Ladung). Bei den Gluonen ist das anders – dadurch, dass die Gluonen sich gegenseitig anziehen, sind die Feldlinien zusammengedrängt, so wie in diesem Bild hier:
.svg#/media/File:Qcd_fields_field_(physics).svg)
“Qcd fields field (physics)” by Maschen – Own work. Licensed under CC0 via Wikimedia Commons.
Oben in der Mitte seht ihr die Situation in einem Proton oder Neutron, oben rechts in einem Anti-Proton oder Anti-Neutron, wo alle Farben durch ihre entsprechenden Antifarben ersetzt sind (anti-blau ist gelb, anti-rot ist cyan). Unten im Bild seht ihr eine alternative Möglichkeit, Teilchen zusammenzubasteln – indem man nämlich ein Quark mit einer Farbladung und ein Anti-Quark mit der entsprechenden Anti-Farbladung kombiniert. Solche Teilchen sind zum Beispiel die oben schon erwähnten Pionen. Aus einem up und einem anti-down-Quark (mit jeweils entgegengesetzter Farbe) könnt ihr ein Pion mit einer positiven Ladung zusammenbasteln. Dabei sendet dann z.B. ein rotes Quark, das mit einem anti-roten Anti-Quark wechselwirken will, ein Gluon aus, das eine rot-anti-rote Farbladung trägt. (Auch hier ist die Darstellung wieder vereinfacht – in Wahrheit sind die Quarks und Gluonen in einem Pion auch immer in Überlagerungszuständen aus unterschiedlichen Farben, aber für’s prinzipielle Verständnis ist das nicht so wichtig.)
Was ihr an den Feldlinien seht, ist, dass sich die Felder eben nicht stark nach außen ausbreiten können, weil die Gluonen zu stark zusammenhalten. Deswegen hat die Kraft, die die Gluonen vermitteln, nur eine sehr kurze Reichweite. Und dieser Zusammenhalt der Gluonen ist auch der Grund, warum wir in der Natur niemals “farbige” Teilchen beobachten. Versucht man beispielsweise, ein Pion auseinanderzureißen, dann braucht man viel Energie, um die “Feldlinien” der Gluonen zu strecken (weil die Gluonen sich eben anziehen und deshalb eng zusammenballen wollen), und am Ende steckt man so viel Energie rein, dass sich einfach ein Teilchen-Antiteilchen-Paar bildet:
“Gluon tube-color confinement animation” by Manishearth – Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
In der Natur beobachten wir also nur farbneutrale Teilchen. (Naja, soweit ich weiß gibt es eine Ausnahme für top-Quarks, die zerfallen so schnell, dass sie auch isoliert auftreten können, ohne einen Partner, der die Farbneutralität herstellt.) Und wenn man sich nach den Regeln, die wir jetzt angeguckt haben, überlegt, wie man Quarks kombinieren kann, dann gehen im wesentlichen zwei Kombinationen: Entweder Quark und Antiquark – jeweils mit der passende Farbe und Anti-Farbe, oder aber drei Quarks in den drei Farben (und entsprechend drei Anti-Quarks mit passender Anti-Farbe). Die Teilchen mit den zwei Quarks nennt man “Mesonen”, die mit den drei Quarks “Baryonen”.
Ohne viel Mathematik zu betreiben (das muss man dann natürlich tun um zu sehen, ob das alles auch wirklich funktioniert), kann man sich schon überlegen, dass es auch kompliziertere Anordnungen von Quarks geben kann. Wir könnten ja auch zwei Quarks und zwei Anti-Quarks zusammentun, mit jeweils passenden Farben und Anti-Farben. So ein Verbund wäre dann ein “Tetraquark”. Hinweise auf ein solches Tetraquark hat man vor zwei Jahren gefunden – euer Lieblingsblog (hoffe ich doch???) hat darüber berichtet.
Es gibt aber auch noch kompliziertere Möglichkeiten – wie wäre es zum Beispiel mit vier Quarks und einem Anti-Quark? Das wäre dann ein Verbund aus fünf Quarks, ein sogenanntes “Pentaquark”.
Erste Hinweise auf ein solches Pentaquark gab es schon im Jahr 2002, doch sie stellten sich schließlich als falsch heraus. Jetzt aber wurde bei einer detaillierten Analyse von Daten am LHC-Beschleuniger im CERN sehr deutliche Hinweise auf gleich zwei solche Pentaquark-Zustände gefunden.
Dabei darf man sich jetzt nicht vorstellen, dass eines Tages die Physikerinnen am CERN sagen “Hey, lasst mal heute den Beschleuniger so einstelen, dass wir Pentaquarks sehen können” und dann ein entsprechendes Experiment starten. Vielmehr funktioniert es genau andersherum: Der LHC ballert Protonen aufeinander und misst in den einzelnen Detektoren und Teil-Detektoren, was jeweils passiert. Dabei ist schon die Datenanalyse ein Kunstwerk für sich, weil die einzelnen Bündel von Teilchen einen Abstand von nur etwa 25 Nanosekunden haben – pro Sekunde gibt es also in einem Detektor einige Zehn Millionen Kreuzungen der Strahlen, bei denen Reaktionen stattfinden können. Entsprechend riesig ist der Datenwust in den Detektoren, und die Daten müssen dann in sehr kurzer Zeit gefiltert und irgendwo abgespeichert werden. (Was mit moderner Technik vermutlich etwas leichter ist als damals vor etwas mehr als 20 Jahren, als ich einen Sommer lang im ZEUS-Detektor-Seminar am DESY saß, wo man mit ähnlichen Problemem zu kämpfen hatte, die Computer aber noch ein paar Größenordnungen lahmer waren als heute.)
Am CERN sind also große Datenmengen aus den bisherigen Betriebszeiten gespeichert, und diese Daten kann man jetzt in aller Ruhe analysieren. Genau das wurde hier gemacht. Dabei hat man auf solche Prozesse geguckt, bei denen das J/Ψ-Teilchen entsteht, das aus einem Charm-Anti-Charm-Quark besteht. (Den Doppelnamen hat es, weil es 1974 von zwei Gruppen gleichzeitig entdeckt wurde, die sich bei der Namensgebung nicht abgesprochen haben.) Dieses Teilchen entsteht wiederum aus einem sehr schweren Teilchen, dem Λb, das sich aus drei Quarks zusammensetzt, einem b-, einem u- und einem d-Quark. (Es ist sozusagen die b-Quark-Variante des Λ (mit der Zusammensetzung uds), das ich oben als Beispiel hatte).
Analysiert man diese Daten , dann findet mal folgendes Bild:
Quelle: LHCb, s.u.
Dabei ist auf der horizontalen Achse die Energie (oder Masse) des Zwischenzustands aufgetragen (1GeV ist etwas mehr als die Masse eines Protons), auf der vertikalen Achse die Zahl der Ereignisse. Die rote Linie zeigt die Vorhersage der Theorie, die schwarze die Messdaten. (Eine einigermaßen ausführliche Erklärung, wie man solche Vorhersagen macht, findet ihr im zweiten Teil meiner sehr alten Artikel über Feynman-Diagramme.) Links und rechts passen die rote und die schwarze Kurve gut zusammen, aber bei einer Energie von etwas mehr als 4GeV seht ihr eine deutliche “Beule”, da gibt es zu viele Ereignisse. (Wenn man genau hinsieht, sind es sogar zwei “Beulen”.) Diese Beule war tatsächlich unerwartet – niemand hat danach gesucht oder erwartet, hier etwas zu finden.
Diese zusätzlichen Ereignisse deuten darauf hin, dass hier ein Teilchen entsteht, das gerade diese Masse hat – ein solches Teilchen zu erzeugen, ist dann ein zusätzlich möglicher Prozess, der für eine erhöhte Wahrscheinlichkeit sorgt. (Mehr darüber, wie das genau geht, in der Feynman-Artikel-Serie, die ich gerade verlinkt habe.)
Jetzt muss man die Daten natürlich im einzelnen analysieren und dann sehen, welche möglichen Prozesse zu diesen Daten passen. (Und diese Analysiererei ist ziemlich aufwendig – und ich gebe zu, dass mich das paper hier dann auch abgehängt hat, obwohl das Prinzip schon das ist, das ich im jetzt schon zweimal angepriesenen Artikel erklärt habe (Klickt endlich! $$$$!).) Dabei zeigt sich dann, dass man die Daten am besten wiedergeben kann, wenn man annimmt, dass beim Zerfall des Λb ein Pentaquark ensteht:
Quelle: LHCb, s.u.
Hier haben wir also einen Zustand mit 5 Quarks, zwei ups, ein down, ein charm und ein anti-charm – eben ein pentaquark. Zusätzlich entsteht noch ein negativ geladenes K-Meson.
Tatsächlich braucht man, um die Daten genau wiedergeben zu können, sogar zwei Pentaquark-Zustände mit leicht unterschiedlichen Massen (4.380GeV und 4.4498GeV). Damit ergibt sich dann dieser Fit an die Daten (in schwarz die Messdaten, in rot die Daten der Berechnung im Modell mit den zwei Pentaquarks und der ganze Kram unten ist der jeweilige Beitrag unterschiedlicher Prozesse zum Gesamtergebnis – der magenta-farbene und der blaue Peak sind die Beiträge der beiden Pentaquarks.):
Quelle: LHCb, s.u.
Die Übereinstimmung ist also ziemlich gut (die statistische Sicherheit, dass die Daten tatsächlich auf zwei neue Teilchen hindeuten, liegt bei mehr als 9 Standardabweichungen, was extrem hoch ist).
Es ist allerdings nicht zu 100% sicher, dass die neuen Teilchenzustände auch tatsächlich Pentaquarks sind – es ist theoretisch wohl auch möglich (wenn auch anscheinend nicht sehr wahrscheinlich), dass sie auf einen Bindungszustand zwischen einem Baryon mit drei Quarks und einem Meson mit zwei Quarks zurückzuführen sind, bei dem die beiden Teilchen sich sozusagen “umkreisen”. Höchstwahrscheinlich handelt es sich aber tatsächlich um ein Pentaquark.
Frank Wilczek, eine der Begründerinnen der Theorie der Quark-Farben (Quantenchromodynamik, kurz QCD), sagte zu der Entdeckung “It’s about the most exciting discovery in QCD I could imagine” [das ist so etwa die aufregendste Entdeckung in der QCD, die ich mir hätte vorstellen können]. Auch wenn der LHC ja immer gern so dargestellt wird, als sei seine einzige Funktion der Nachweis des Higgs-Teilchens, sieht man an dieser Entdeckung, dass er eben noch zu ganz anderen neuen Erkenntnissen gut ist.
Als nächstes wird man sicherlich daran gehen, die Daten weiter zu untersuchen und vermutlich auch versuchen, das neue Pentaquark an anderen Beschleuigern nachzuweisen, um seine Eigenschaften genauer zu verstehen. Und sicherlich wird man jetzt auch nach weiteren Pentaquark-Zuständen suchen, die bei anderen Energien auftreten. Die Entdeckung des Pentaquarks eröffnet also eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten, um das Verhalten von Quarks besser zu verstehen.
LHCb collaboration, Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ0b→J/ψK−p decays, arXiv:1507.03414
Matthew Chalmers, ,Forsaken pentaquark particle spotted at CERN, Nature 523,267–268()doi:10.1038/nature.2015.17968
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