Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuer exotischer Teilchenzustand gibt Rätsel auf

31.08.2015

Eine neue, exotische Kombination von leichten Quarks haben Wissenschaftler der COMPASS-Kollaboration am CERN beobachtet. Die Entdeckung gelang bei einer Untersuchung von Daten, bei denen Pionen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf ein flüssiges Wasserstoff-Target geschossen wurden. Nun sind die theoretischen Physiker am Zug, eine Erklärung für den neuen Teilchenzustand zu finden: Zwar haben sie schon eine Reihe von Erklärungen vorgeschlagen, diese konnten jedoch bisher nicht alle Eigenschaften des Exoten korrekt beschreiben. Physiker des Exzellenzclusters Universe der TU München sind am COMPASS-Experiment maßgeblich beteiligt und leiteten bei der Entdeckung die Datenanalyse.

Quarks sind dem Standardmodell der Teilchenphysik zufolge die fundamentalen Bausteine, aus denen Atomkerne aufgebaut sind: Ein Proton besteht aus einem up- und zwei down-Quarks, ein Neutron aus einem down und zwei up-Quarks. Damit ist der Teilchenzoo der Quarks jedoch noch lange nicht komplett: Neben den beiden leichtesten Quarks gibt es noch vier weitere: das strange-, charm-, bottom- und das top-Quark sowie ihre jeweiligen Antiteilchen, die Antiquarks.


Der Aufbau des COMPASS Experiments am Super Proton Synchrotron am CERN.

CERN

Alle diese Quarks waren kurz nach dem Urknall vorhanden und spielten eine wichtige Rolle bei der Entstehung unseres Universums. Die vier schweren Quarks sind in den Naturvorgängen in unserer Umgebung nicht mehr zu beobachten. Um sie nachzuweisen, werden große Teilchenbeschleuniger benötigt. Zusammengehalten werden die Quarks durch „Klebeteilchen“, Gluonen, die auch die starke Wechselwirkung, die stärkste der vier Fundamentalkräfte der Physik, vermitteln.

Die starke Wechselwirkung wird durch eine Theorie beschrieben, die sich Quantenchromodynamik (QCD) nennt und in den 1980-er Jahren entwickelt wurde. Mit ihrer Hilfe wollen die Physiker beschreiben, nach welchen Prinzipien sich Materie formt und welche Konfigurationen von Teilchen die Natur zulässt. Die QCD sagt dabei eine ganze Reihe von Quark-Kombinationen voraus.

Einige davon sind gut bekannt: Eine Kombination von drei Quarks (Baryonen), wie sie etwa in den Protonen und Neutronen vorkommen, sowie eine Kombination aus einem Quark- und einem Antiquark (Mesonen), wie sie etwa die Pionen aufweisen. Auch einige exotische Kombinationen, wie zum Beispiel molekülähnliche Vierfach-Quarks oder sogar Fünffach-Quarks, sind der QCD zufolge möglich. Kürzlich wurden am LHC tatsächlich Hinweise auf ein solches Fünffach-Quark gefunden.

Die Kombinationsregeln von Quarks zu verstehen, ist seit langem eine große Herausforderung für die theoretische wie auch die experimentelle Teilchenphysik. Dabei erschwert ein äußerst ungewöhnliches Phänomen das Verständnis der Quark-Kombination: Die Kräfte zwischen den Quarks werden immer größer, je weiter man diese voneinander entfernt. Die starke Wechselwirkung wächst also, anders als die anderen drei Grundkräfte, mit zunehmendem Abstand der Teilchen. Die zugehörigen QCD-Gleichungen stellen eine der großen Herausforderungen in der theoretischen Physik dar. Eine Annäherung an die Lösung wird vor allem mit Computersimulationen erreicht, die sehr viel Rechenzeit beanspruchen, aber mögliche Teilchenkombinationen deutlich einschränken.

In ihrer neuesten Publikation macht die COMPASS-Kollaboration die Existenz eines ungewöhnlichen Mesons öffentlich, das sich aus leichten Quarks zusammensetzt und eine Masse von 1,42 GeV/c2 hat. Da in dieser Massenregion seit einem halben Jahrhundert geforscht wird, ist die Entdeckung des neuen Teilchens mit Hilfe des COMPASS-Spektrometers am Super Proton Synchrotron (SPS) am CERN eine große Überraschung. Diese ist dem weltweit größten Datensatz für solche Untersuchungen zu verdanken.

Das neue a1(1420) genannte Teilchen wurde bei Datenanalysen von Experimenten gefunden, bei denen Pionen mit einem Impuls von 190 GeV/c auf ein Flüssig-Wasserstoff-Target geschossen wurden. Weil dieser neue Zustand rund 1.000 Mal seltener vorkommt als die bekannten Mesonen, war zur Identifizierung eine neue, komplexe Analysemethode nötig, für die Wissenschaftler des Exzellenzclusters Universe der Technischen Universität München (TUM) zuständig waren.

Für das neue Teilchen wurden verschiedene theoretische Erklärungen vorgeschlagen. Diese interpretieren das a1(1420) als ein Molekül, aufgebaut aus bekannten Mesonen, oder als einen Vier-Quark-Zustand. Andere Erklärungen machen verschiedenartige langreichweitige Effekte der starken Wechselwirkung für die Beobachtung verantwortlich. Diese Erklärungen decken jedoch die experimentellen Befunde nicht vollständig ab. „Obwohl es experimentell gut belegt ist, ist das neue Teilchen a1(1420) offenbar ein neues Mitglied im Club der bisher unerklärten Zustände“, sagt Prof. Dr. Stephan Paul vom Exzellenzcluster Universe der TUM. Die Experten der Quantenchromodynamik haben also mit dem neuen Teilchenzustand eine weitere schwere Aufgabe zu lösen.

Das COMPASS-Experiment wird seit 2002 am Super Proton Synchrotron (SPS) betrieben, dem zweitgrößten Beschleunigerring am CERN. Zur Kollaboration gehören rund 220 Physiker aus 13 Ländern. An den Forschungsarbeiten zu dieser Veröffentlichung waren in Deutschland beteiligt die Unis in Bochum, Bonn, Erlangen-Nürnberg, Freiburg und Mainz sowie das Helmholtz Zentrum Bonn und die Technische Universität München (TUM). Die Forschungsarbeiten wurden in Deutschland unterstützt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), dem Exzellenzcluster Universe und dem Rechenzentrum C2PAP des Exzellenzclusters Universe, dem Institute for Advanced Study der TUM sowie der Humboldt Stiftung.

Weitere Informationen:

http://www.universe-cluster.de
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.082001

Petra Riedel | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: CERN Synchrotron TUM Teilchen Teilchenphysik Universe Wechselwirkung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie