Die LHCb-Kollaboration beobachtet zum ersten Mal einen doppelt geladenen Tetraquark und seinen neutralen Partner.

1. September 2023 Merkmal

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von Ingrid Fadelli , Phys.org

Die Beobachtung von schwer fassbaren, exotischen Teilchen ist das Hauptziel unzähliger Studien, da dies neue Forschungsmöglichkeiten eröffnen und unser Wissen über die Materie im Universum und ihre grundlegenden physikalischen Eigenschaften verbessern könnte. Das Quarkmodell, ein theoretisches Modell, das 1964 eingeführt wurde, sagte die Existenz elementarer subatomarer Teilchen namens Quarks in verschiedenen Konfigurationen voraus. 

Quarks und Antiquarks (das Antimaterieäquivalent von Quarks) sind Bestandteile verschiedener subatomarer Teilchen. Dazu gehören 'konventionelle' Teilchen wie Mesonen und Baryonen sowie komplexere Teilchen, die aus vier oder fünf Quarks bestehen (d. h. Tetraquarks und Pentaquarks).

Das Large Hadron Collider beauty (LHCb) Experiment, eine Forschungsanstrengung, an der eine große Gruppe von Forschern an verschiedenen Instituten weltweit beteiligt ist, hat seit über einem Jahrzehnt versucht, einige dieser faszinierenden Teilchen zu beobachten, indem Daten gesammelt wurden das LHC-Teilchenkollidierer in der Schweiz. In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichteten sie von der erstmaligen Beobachtung eines doppelt geladenen Tetraquarks und seines neutralen Partners.

'In den letzten zehn Jahren hat das LHCb-Experiment Pionierarbeit bei der Entdeckung sogenannter exotischer Teilchen geleistet', sagte Yasmine Sara Amhis, Physikkoordinatorin des LHCb-Experiments, gegenüber Phys.org. 'Das LHCb hat 2015 das erste Pentaquark entdeckt, und das hat den Weg zu vielen weiteren Entdeckungen geebnet. Das Hauptziel der LHCb-Forschung zu exotischen Teilchen besteht darin herauszufinden, welche Tetraquarks und Pentaquarks existieren und ihre Eigenschaften zu kartieren, insbesondere die anderen Teilchen, in die sie zerfallen, und ihre Quantenzahlen zu enthüllen.'

Derzeit gibt es mehrere verschiedene phänomenologische Modelle, die Tetraquarks und Pentaquarks beschreiben und insbesondere vorhersagen, wie Quarks gebunden sind, um diese Teilchen zu bilden. Durch die Beobachtung dieser Teilchen und die Messung ihrer Eigenschaften könnte die Zusammenarbeit des LHCb dazu beitragen, festzustellen, welche dieser Modelle korrekt sind, und dabei auch Diskrepanzen oder Ungenauigkeiten zu identifizieren.

Im Rahmen ihrer jüngsten Studie analysierten die Forscher Daten, die während der ersten beiden experimentellen Läufe des LHC gesammelt wurden. Diese erstreckten sich über einen Zeitraum von zwei Jahren zwischen 2011 und 2018.

'Die Analyse, die zu dieser Entdeckung führte, ist sehr anspruchsvoll und kann fairerweise als eines der "schwierigsten" Studien innerhalb unserer Zusammenarbeit bezeichnet werden', erklärte Amhis. 'Der ursprüngliche Name des LHCb-Experiments stammt von dem historischen Hauptthema der Forschung, das sich auf B-Quarks und ihre Produkte konzentrierte. Das Paar von Tetraquarks, über die in diesem Artikel berichtet wird, wurde dank einer Technik namens Amplitudenanalyse beobachtet. Dieser Ansatz beruht auf dem quantenmechanischen Verhalten von Teilchen und ihrer Fähigkeit, miteinander zu interferieren.'

Die komplexe Analyse, die von der LHCb-Kollaboration durchgeführt wurde, könnte als kombinierte Analyse bezeichnet werden, die sich auf Symmetrien konzentriert. Symmetrien sind von entscheidender Bedeutung in der Teilchenphysik und spielen eine wichtige Rolle im sogenannten Standardmodell, der führenden Theorie der Teilchen und der sie beherrschenden Kräfte.

'Symmetrien sind auch deshalb mächtig, weil sie Ähnlichkeiten und Beziehungen zwischen Teilchen ableiten können', sagte Amhis. 'Der Isospin, die Symmetrie, die die beiden in diesem Artikel aufgeführten Teilchen betrifft, besagt, dass ihre Masse und Breite gleich sind. Dies ermöglicht eine kombinierte Analyse, die empfindlicher auf die Eigenschaften dieser Teilchen reagiert als eine einzelne Analyse jedes Isospinpartners gekonnt hätte.'

Bisher hat die LHCb-Kollaboration über 600 Artikel veröffentlicht und dabei mehrere Teilchen und physikalische Phänomene zum ersten Mal beobachtet. Die meisten ihrer Studien haben die Robustheit und Zuverlässigkeit des Standardmodells der Teilchenphysik bestätigt, doch einige haben auch zu aufregenden neuen Entdeckungen geführt.

'Papers like this one show that discoveries, including some unexpected ones, remain possible,' Amhis said. 'More than 70 new hadronic particles have been discovered at the LHC, by far most of them at LHCb, As we learn more about which hadrons exist and their properties, we gain new understanding of the strong force, one of the four fundamental forces in nature, which binds quarks into hadrons. This understanding in turn opens new doors in searching for physics beyond the Standard Model, by reducing theoretical uncertainties associated with such searches which are caused by an imperfect understanding of the strong force.'

The recent work by the LHCb could soon inform further theoretical and experimental studies examining the physics of tetraquarks. Meanwhile, the LHC's third data collection run has begun, and the collaboration has significantly upgraded its equipment.

During this third run, the LHCb expects to collect five times more data per year compared to previous experimental runs. Their hope is that this new data will lead to more fascinating discoveries and observations.

'The improved detector is expected to gain another factor of two in the study of hadrons in particular, for a total factor of 10,' Amhis added.

'In addition, LHCb now has a much-improved system for injecting gases into the detector volume, so it can study not only proton collisions but also the collision of protons with a wide variety of nuclei. This opens yet another door to the understanding of exotic hadrons, by studying their formation in different types of collisions. In our next works, we plan to pursue all axes to gain a deeper understanding of these particles: searching for new exotic hadrons, measuring the properties of known exotic hadrons more precisely, and looking for known and new exotic hadrons in different types of collisions.'

Journal information: Physical Review Letters

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