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Von: Dennis L.
Exotischer Zustand

Exotische Materie aus sechs Quarks bestätigt

Die ersten Hinweise auf exotische Materie gab es bereits im Jahr 2011. Jetzt konnten Physiker die exotische Materie, die aus sechs Quarks besteht, in einem Experiment nachweisen. Normale Materie besteht aus maximal drei Quarks. Der Nachweis von Materie, welche im Zwischenzustand aus sechs Quarks besteht, eröffnet ein ganz neues Feld in der Teilchenphysik.

Der exotische Zwischenzustand mit sechs Quarks.
© Forschungszentrum Jülch

Jülch (Deutschland). Bisher konnten Physiker nur zwei verschiedene Klassen von Hadronen reproduzierbar nachweisen: Flüchtige Mesonen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen und Baryonen, die sich aus drei Quarks zusammensetzen. Zu den Baryonen zählen unter anderem auch Protonen und Neutronen, die alle bekannten Arten von Atomkernen aufbauen. In den letzten Jahren gab es vermehrt Hinweise, dass es neben den zwei bekannten Hadronen-Klassen noch weitere Arten, wie beispielsweise Hybride, Gluebälle oder Multiquarks existieren könnten.

Im Jahr 1964 hatte der Physiker Freeman Dyson erstmals solche komplexen Zwischenzustände vorhergesagt. Der Nachweis blieb jedoch aus, da sich seine Experimente nicht reproduzieren ließen. Erst in den letzten Jahren haben verschiedene Forschergruppen durch unterschiedliche Experimente starke Indizien für schnelllebige exotische Materie gefunden. Diese sollten jedoch aus vier Quarks bestehen, sogenannte Tetraquarks.

Die ersten Hinweise auf exotische Materie mit sechs Quarks

Im Jahr 2011 haben Experimente am COSY-Beschleuniger vom Forschungszentrum Jülch für Kernphysik erste Hinweise geliefert, dass es exotische Materie geben könnte die aus sechs Quarks aufgebaut wird. Die sogenannten Dibaryons sind extrem kurzlebig und lassen sich bisher nur über ihre Zerfallsprodukte nachweisen. Der kurze Zwischenzustand in dem die exotische Materie existiert dauert nur eine Hunderttrilliardstel (10 hoch -23) Sekunde.

„Die Messungen, die wir 2011 an COSY durchgeführt haben, waren bereits sehr präzise. Doch weil die Experimente an keinem anderen Beschleuniger der Welt wiederholt werden konnten, mussten wir uns einen anderen Versuch einfallen lassen, um die Ergebnisse zu bestätigen“, erklärt Hans Ströher, Direktor am Jülicher Institut für Kernphysik welches zur Helmholtz Gemeinschaft gehört.

Neue Experimente lieferten den reproduzierbaren Nachweis

In dem neuen Experiment beschossen die Physiker ein Proton mit polarisierten Kernen von schwerem Wasserstoff, sogenannte Deutronen. Der Beschuss erfolgte mit einer Stärke von 2.380 Megaeletronenvolt, dem Energiebereich bei dem bereits frühere Experimente die exotische Materie entstehen ließen. Wenn der exotische Zwischenzustand eintritt, verändert es den Winkel in dem die kollidierten Teilchen auseinander fliegen. Dies kann am COSY-Beschleuniger genau gemessen und detektiert werden.

Wie das neue Experiment zeigt, deutet alles auf die Präsenz der exotischen Materie hin. Diese wurde von den Physikern d+(2380) getauft. „Die neuartige Resonanz, die wir beobachtet haben, zeigt, dass Quarks im Sechserpack tatsächlich existieren“, sagt Heinz Clement von der Universität Tübingen. Allerdings bleibt bisher die Frage offen, ob alle sechs Quarks ein gemeinsames Teilchen oder ein hardronische Molekül bilden. Eine solche Struktur wäre dann ähnlich aufgebaut, wie ein komplexer Atomkern der aus mehreren Kernbausteinen besteht.

Sollte diese komplexe exotische Materie existieren, eröffnet dies ein völlig neuen Bereich der Teilchenphysik. „Die Ergebnisse ordnen sich in ein größeres Bild ein. Wenn die exotische Materie existiert, dann könnte es theoretisch noch eine Vielzahl anderer exotischer Zustände geben“, so James Ritman vom Forschungszentrum Jülch.

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