Cern-Physiker entdecken bisher unbekanntes Teilchen

Physiker des Forschungszentrums Cern haben ein bisher unbekanntes Teilchen entdeckt. Es handelt sich dabei um das erste neue Partikel, das mithilfe des Detektors CMS am Teilchenbeschleuniger Large Hadron Colliders (LHC) nachgewiesen wurde.

Das Xi_b^* getaufte Teilchen ist ähnlich wie die Grundbausteine der Atome aus drei Quarks zusammengesetzt - Elementarteilchen, die einen Großteil der bekannten Materie bilden. Zwei der Quarks von Xi_b^* gehören zu den besonders schweren und instabilen ihrer Art. Teilchen aus diesen Komponenten sind rar und können nur in Teilchenbeschleunigern nachgewiesen werden.

Grundlegende Annahmen bestätigt

Die Entdeckung dieses neuen Teilchens bestätige grundlegende Annahmen über die Bindung und das Verhalten der Quarks, erklären die Physiker. Einen Bericht über ihre Entdeckung haben sie beim Fachjournal "High Energy Physics - Experiment" eingereicht (arXiv:1204.5955v1).

In der Teilchenphysik werden alle Partikel, die aus je drei Quarks zusammengesetzt sind, als Baryonen bezeichnet. Da es nach gängiger Theorie sechs unterschiedliche Quarks und damit Grundbausteine dieser Teilchen gibt, müssten eigentlich auch zahlreiche unterschiedliche Baryonen existieren. In der Natur finden sich aber nur zwei davon: Protonen und Neutronen, die Bausteine des Atomkerns. Sie bestehen jeweils aus Kombinationen der beiden leichtesten Quarks, des up- und des down-Quark.

An Teilchen, die eines oder mehrere der vier schwereren Quarks-Sorten enthalten, das strange-, bottom-, charm- und top-Quark, sind bisher nur wenige bekannt. Sie können nur künstlich in Teilchenbeschleunigern erzeugt und meist auch nur anhand ihrer Zerfallsprodukte nachgewiesen werden.

Bisher erst eine Variante bekannt

Das neue Teilchen ist ein Baryon, das aus einem up-, einem strange- und einem bottom-Quark besteht. "Gemäß der Theorie existieren drei mögliche Baryonen mit dieser Zusammensetzung", erklärt Claude Amsler von der Universität Zürich, einer der Leiter der Studie. Nur eines davon sei bisher bekannt gewesen, mit Xi_b^* habe man nun eine weitere Variante nachgewiesen.

Das neu entdeckte Baryon ist elektrisch neutral und unterscheidet sich in seinem Eigendrehimpuls von der bekannten Variante. Die Masse des Teilchens entspricht etwa der eines Lithium-Atoms, es ist damit relativ schwer.

Grundlage für die Entdeckung waren Daten aus dem Detektor CMS am Teilchenbeschleuniger LHC. Sie stammen aus der Kollision von Protonen, die mit der Energie von sieben Tera-Elektronenvolt (TeV), zwischen April und November 2011 im Beschleunigerring aufeinander geschossen wurden.

Ernest Aguiló von der Universität Zürich identifizierte in den Messdaten Spuren von Zerfallsprodukten, die darauf hindeuteten, dass bei den Kollisionen kurzzeitig auch Xi_b^*-Teilchen entstanden sein mussten.

Zufallsmessung kann ausgeschlossen werden

Insgesamt entdeckten die Forscher 21 Zerfälle eines Xi_b^*-Baryons. Dies sei statistisch genügend signifikant, um eine Zufallsmessung auszuschließen. "Das ist mehr als fünfmal mehr, als aufgrund rein statistischer Zufälle erwartet werden kann", erläutert Vincenzo Chiochia von der Universität Zürich. Die Messungen seien deshalb signifikant genug, um von einer Entdeckung zu sprechen.