CERN: Aufgerüsteter LHCb-Detektor entdeckt schweres Proton-Pendant

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Die Teilchenphysik hat einen neuen Baustein im Zoo der subatomaren Materie katalogisiert: Auf der Konferenz Rencontres de Moriond Electroweak hat die LHCb-Kollaboration am CERN die Entdeckung des Ξ_cc⁺ (gesprochen: Xi-cc-plus) bekannt gegeben.

Dabei handelt es sich um ein protonenähnliches Teilchen, das statt zweier leichter Up-Quarks zwei schwere Charm-Quarks enthält – und damit rund viermal so viel wiegt wie ein gewöhnliches Proton. Es ist die erste Neuentdeckung mit dem 2023 aufgerüsteten LHCb-Detektor, der Teil des weltgrößten Teilchenbeschleunigers ist.

Der Großteil der Materie im Universum besteht letztlich aus Quarks, fundamentalen Bausteinen, die sich nicht weiter zerlegen lassen. Das Standardmodell der Teilchenphysik kennt sechs Quark-Sorten, organisiert in drei Generationen. Die erste Generation umfasst Down- (d) und Up-Quarks (u), aus denen Protonen (zwei Up, ein Down, also uud) und Neutronen (udd) aufgebaut sind. Damit dabei ein einfach positiv elektrisch geladenes Proton und ein neutrales Neutron entsteht, müssen die Quarks jeweils drittelzahlige Elementarladungen tragen: das Down-Quark -1/3 e (wobei e die Elementarladung des Elektrons ist) und das Up-Quark +2/3 e. Gleiches gilt für die Quarks der weiteren Generationen. In der zweiten Generation finden sich Strange- (s) und Charm-Quarks (c), in der dritten Bottom- (b) und Top-Quarks (t). Von Generation zu Generation nimmt die Masse erheblich zu – ein Charm-Quark ist dabei der deutlich schwerere Verwandte des Up-Quarks.

Quarks treten nicht einzeln auf, sondern stets in gebundenen Zuständen, den sogenannten Hadronen. Dabei hält die starke Kernkraft, vermittelt durch Gluonen, die Quarks zusammen. Protonen, Neutronen und das neu entdeckte Ξ_cc⁺ zählen zu der Hadronen-Untergruppe der Baryonen, die aus jeweils drei Quarks bestehen; Mesonen bestehen hingegen aus einem Quark und einem Anti-Quark.

Zwei Charm-Quarks statt zwei Up-Quarks

Das neu entdeckte Ξ_cc⁺ lässt sich laut den Forschern als Proton mit einem dramatischen Quark-Tausch verstehen: In seiner Zusammensetzung ccd ersetzen zwei schwere Charm-Quarks die beiden leichten Up-Quarks des Protons (uud), während das Down-Quark erhalten bleibt. Da Charm-Quarks erheblich mehr Masse mitbringen als ihre leichten Verwandten, erreicht das Ξ_cc⁺ eine gemessene Masse von 3619,97 ± 0,83 MeV/c² – etwa das Vierfache eines normalen Protons.

Die Physiker wiesen das kurzlebige Teilchen über seinen charakteristischen Zerfall nach: Ξ_cc⁺ ⇀ Λ_c⁺ K⁻ π⁺, wobei das Λ_c⁺ seinerseits in ein Proton, ein K⁻ und ein π⁺ zerfällt. Durch Rekonstruktion der sogenannten invarianten Masse dieser Zerfallsprodukte aus Proton-Proton-Kollisionsdaten des Jahres 2024 (LHC Run 3, bei dem auch hochkomplexe Kernumwandlungen wie die Erzeugung von Goldkernen aus Blei beobachtet werden), beobachteten die Forscher einen deutlichen Peak bei rund 3620 MeV/c² mit etwa 915 Ereignissen. Die statistische Signifikanz liegt bei 7 Sigma und damit weit über der in der Teilchenphysik üblichen 5-Sigma-Schwelle, ab der man von einer gesicherten Entdeckung spricht.

Lösung eines 20 Jahre alten Rätsels

Das Ξ_cc⁺ ist der sogenannte Isospin-Partner des 2017 von LHCb entdeckten Ξcc⁺⁺ mit der Zusammensetzung ccu. Da sich Up- und Down-Quarks in ihren Eigenschaften fast identisch verhalten, sagt die Theorie für beide Teilchen nahezu gleiche Massen voraus. Die neue Messung bestätigt genau das – und räumt damit eine über 20 Jahre währende Kontroverse aus dem Weg.

Das SELEX-Experiment hatte Anfang der 2000er-Jahre ein Signal gemeldet, das auf ein deutlich leichteres Ξ_cc⁺ hindeutete. Nachfolgende Suchen bei den Experimenten FOCUS, BaBar und Belle sowie in früheren LHCb-Datensätzen konnten dieses Ergebnis jedoch nie reproduzieren. Erst die verbesserte Leistungsfähigkeit des aufgerüsteten LHCb-Detektors ermöglichte es nun, das Teilchen bei einer Masse nachzuweisen, die mit den theoretischen Erwartungen und dem Ξ_cc⁺⁺-Partner übereinstimmt.

Bedeutung für das Standardmodell

Die Entdeckung ist nicht nur ein Meilenstein für das LHCb-Experiment als dessen erster Teilchenfund nach dem Detektor-Upgrade, sondern auch ein wichtiger Prüfstein für die Quantenchromodynamik (QCD) – jene Theorie, die beschreibt, wie Quarks und Gluonen über die starke Wechselwirkung interagieren. Die präzise Übereinstimmung der gemessenen Masse mit den Vorhersagen validiert das theoretische Verständnis von Hadronen mit mehreren schweren Quarks.

Ferner demonstriert der Nachweis, dass der modernisierte Detektor empfindlich genug ist, um auch noch seltenere exotische Teilchenzustände wie Pentaquarks oder Tetraquarks aufzuspüren. Für die Suche nach noch selteneren Phänomenen plant das CERN bereits den Bau eines deutlich größeren Nachfolge-Beschleunigers.

Die Kollaboration präsentierte detaillierte Ergebnisse in ihrem Moriond-Vortrag; eine vollständige wissenschaftliche Publikation soll in Kürze folgen. Weitere Informationen liefert ein CERN-Medienbericht.

(vza)