Die LHCb Collaboration hat ein neues Teilchen gefunden. Seine Masse und andere Eigenschaften platzieren es mitten in der Charmonium-Familie, zu der das besser bekannte J/ψ-Meson (Psion) gehört. Letzteres war das erste entdeckte Teilchen, das ein Charm-Quark enthält und brachte seinen Entdeckern den Physik-Nobelpreis. Zukünftige Untersuchungen der Eigenschaften dieses neuen Charmonium-Zustands und seiner Verwandten wird Physikern helfen, die starken Kräfte besser zu verstehen, die Quarks aneinander binden. Quarks gehören zu den kleinsten Teilchen, die wir kennen.
Charmonium-Teilchen sind Teilchen aus zwei Quarks (sogenannte Mesonen) und bestehen aus einem Charm-Quark und seinem Antimaterie-Gegenstück, dem Charm-Antiquark. Charm-Quarks sind die drittschwersten der sechs Quark-Typen. Genau wie Atome, können Mesonen in angeregten Zuständen höherer Energie beobachtet werden, bei denen sich die Quarks des Mesons in unterschiedlichen Konfigurationen umkreisen. Diese verschiedenen Konfigurationen erlauben die Bildung eines breiten Spektrums an Teilchen mit unterschiedlichen Massen und Quanteneigenschaften wie dem Spin, der als die Rotation eines Systems um seine Achse betrachtet werden kann.
Die Beobachtung solcher angeregter Zustände und die Messung ihrer Eigenschaften stellen eine Möglichkeit dar, Modelle der Quantenchromodynamik zu überprüfen. Die Quantenchromodynamik beschreibt, wie Quarks zu Teilchen zusammenfinden. Das Wissen über die vollständige Sammlung dieser Zustände hilft bei der Identifizierung von exotischen Zuständen mit mehr als drei Quarks (beispielsweise Tetraquarks), die von der Quantenchromodynamik ebenfalls vorausgesagt, aber erst kürzlich entdeckt wurden. Wenn alle angeregten Zustände einbezogen werden, können Physiker sicherer bezüglich dessen sein, dass die restlichen Zustände exotisch sind.
Um das neue Charmonium-Teilchen nachzuweisen, untersuchte die LHCb Collaboration – eines der vier Hauptexperimente am Large Hadron Collider – bei Proton-Proton-Kollisionen die Zerfallsprozesse von Charmonium-Zuständen in D-Mesonenpaare. Dafür wurden Daten genutzt, die zwischen 2011 und 2018 gesammelt wurden. D-Mesonen sind die leichtesten Teilchen, die Charm-Quarks enthalten. Die LHCb Collaboration maß den Massenbereich der D-Mesonenpaare und berechnete, wie oft sie jeden Massenwert innerhalb des gemessenen Bereichs registrierten.
Dann suchten sie in dieser Massenverteilung nach einem Übermaß an Ereignissen und fanden eine neue, schmale Spitze bei einer Masse, die einem bislang unbeobachteten Charmonium-Zustand namens ψ3(1D) entspricht. Das Teilchen hat den Spinwert 3, was dies zur ersten Beobachtung eines Spin-3-Charmonium-Zustands macht. Der hohe Spinwert könnte für die schmale Breite der Spitze verantwortlich sein und dafür, dass es so lange dauerte, sie zu finden.
(THK)
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