Physiker der Universität Zürich haben im Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) ein bisher unbekanntes Teilchen aus drei Quarks entdeckt. Damit konnte am LHC erstmals ein neues Baryon nachgewiesen werden. Das als Xi_b ^ * bekannte Baryon bestätigt grundlegende physikalische Annahmen bezüglich der Bindung von Quarks.
In der Teilchenphysik bezieht sich die Baryonenfamilie auf Teilchen, die aus drei Quarks bestehen. Quarks bilden eine Gruppe von sechs Teilchen, die sich in Masse und Ladung unterscheiden. Die beiden leichtesten Quarks, die so genannten Up- und Down-Quarks, bilden die beiden Atomkomponenten Protonen und Neutronen. Es sind alle Baryonen bekannt, die sich aus den drei leichtesten Quarks ("up", "down" und "strange" Quarks) zusammensetzen. Bisher wurden nur sehr wenige Baryonen mit schweren Quarks beobachtet. Sie können nur in Teilchenbeschleunigern künstlich erzeugt werden, da sie schwer und sehr instabil sind.
Berühmter ATLAS-Detektor am CERN
Bei Protonenkollisionen im LHC am CERN gelang es den Physikern Claude Amsler, Vincenzo Chiochia und Ernest Aguiló vom Physikalischen Institut der Universität Zürich, ein Baryon mit einem leichten und zwei schweren Quarks zu detektieren. Das Teilchen Xi_b ^ * besteht aus einem "up" -, einem "strange" - und einem "bottom" -Quark (usb), ist elektrisch neutral und hat einen Spin von 3/2 (1,5). Seine Masse ist vergleichbar mit der eines Lithiumatoms. Die neue Entdeckung bedeutet, dass nun zwei der drei theoretisch in der USB-Komposition vorhergesagten Baryonen beobachtet wurden.
Die Entdeckung basierte auf Daten, die im CMS-Detektor gesammelt wurden, an dessen Entwicklung die Universität Zürich beteiligt war. Das neue Partikel kann nicht direkt erfasst werden, da es zu instabil ist, um vom Detektor registriert zu werden. Xi_b ^ * löst sich jedoch in einer bekannten Kaskade von Zerfallsprodukten auf. Ernest Aguiló, ein Postdoktorand aus der Gruppe von Professor Amsler, identifizierte Spuren der jeweiligen Zerfallsprodukte in den Messdaten und konnte die Zerfallskaskaden ausgehend von Xi_b ^ * -Zerfällen rekonstruieren.
Die Berechnungen basieren auf Daten von Proton-Proton-Kollisionen bei einer Energie von sieben Tera-Elektronenvolt (TeV), die vom CMS-Detektor zwischen April und November 2011 erfasst wurden. Insgesamt wurden 21 Xi_b ^ * -Baryon-Zerfälle entdeckt - statistisch ausreichend, um dies auszuschließen eine statistische Schwankung.
Die Entdeckung des neuen Teilchens bestätigt die Theorie, wie Quarks binden, und hilft daher, die starke Wechselwirkung zu verstehen, eine der vier grundlegenden Kräfte der Physik, die die Struktur der Materie bestimmt.
Nachdruck mit freundlicher Genehmigung der Universität Zürich