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Mögliche neue Materieform: Physiker entdecken mysteriöses Teilchen

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Teilchenphysik: Partikel aus vier Quarks? Fotos
KEK High Energy Accelerator Research Organization

Es ist viermal so schwer wie ein Proton, sehr kurzlebig und elektrisch geladen: Ein parallel an zwei Beschleunigern nachgewiesenes Teilchen lässt Forscher rätseln. Es heißt Z(3900) und könnte aus vier Quarks bestehen - das wäre ein Novum.

Wenn es um die Jagd nach unbekannten Teilchen geht, denken die meisten zuallererst ans Cern. Am Kernforschungszentrum in Genf wurde zum Beispiel 2012 das lange gesuchte Higgs-Boson nachgewiesen. Doch spektakuläre Entdeckungen gelingen auch mit deutlich kleineren Beschleunigern, wie das rätselhafte Partikel mit dem Namen Z(3900) beweist.

Das bislang unbekannte Teilchen wurde sowohl beim Belle-Experiment in Japan als auch am Beijing Spectrometer III in China nachgewiesen. In beiden Fällen handelt es sich um Beschleuniger, in denen Elektronen mit ihren Antiteilchen, den Positronen, kollidieren. In den Zerfallsprodukten konnten die Wissenschaftler das Teilchen nachweisen, über ihre Entdeckung berichten beide Forschergruppen nun im Fachblatt "Physical Review Letters" (Paper 1, Paper 2).

"Zufällig arbeiten einige Wissenschaftler an beiden Beschleunigern, so hatte man die Gelegenheit, die Entdeckung gleich zu überprüfen", sagt Sören Lange von der Universität Gießen. Er ist seit 15 Jahren am Belle-Experiment beteiligt und hat teilweise am japanischen Forschungszentrum für Teilchenphysik (KEK) nordöstlich von Tokio gearbeitet.

"Wir haben ein wunderschönes Signal", berichtet Lange im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Es gebe keine Zweifel, weil das Teilchen unabhängig voneinander an zwei Beschleunigern detektiert wurde. Die Physiker haben ihr Fundstück Z(3900) genannt, wobei 3900 für 3900 Megaelektronenvolt steht, also die Masse des Teilchens.

Z(3900) ist damit etwa viermal so schwer wie ein Proton. Es kann positiv oder negativ geladen sein und hat eine sehr kurze Lebensdauer, die schätzungsweise im Bereich von 10-23 Sekunden oder weniger liegt.

Vier Quarks nicht ausgeschlossen

Offensichtlich handelt es sich bei Z(3900) um eine bislang unbekannte Materieform. Das Standardmodell der Teilchenphysik liefert keine unmittelbar schlüssige Erklärung. Theoretiker haben aber bereits verschiedene Erklärungsansätze entwickelt. Einer besagt, dass das Teilchen aus vier Quarks zusammengesetzt sein könnte.

Das wäre ein Novum: Bisher kennen Physiker nur Partikel, die aus zwei oder aus drei Quarks bestehen. Laut Standardmodell gibt es sechs verschiedene Quarks (Up, Down, Charm, Strange, Top, Bottom). Ein Baryon wie beispielsweise das Proton ist aus drei Quarks zusammengesetzt. Mesonen hingegen wie das Pion oder das Kaon bestehen aus zwei Quarks. Partikel aus vier Quarks sind bislang unbekannt, aber keinesfalls ausgeschlossen.

"Die bisherige Erfahrung lehrt uns, dass Teilchen aus vier Quarks nicht existieren", sagt Eric Swanson von der University of Pittsburgh. Aber die Situation könnte sich mit der neuen Entdeckung geändert haben. "Die Daten erlauben auch andere Interpretationen", betont Swanson, es zeige sich aber, wie wenig man bislang über Quarks wisse.

Statt aus vier Quarks wäre Z(3900) auch als sogenanntes Hadron-Molekül vorstellbar. Es würde dann aus zwei Teilchen mit je zwei Quarks bestehen. "Jeder Forscher hat da seine Präferenz", sagt der Gießener Forscher Lange. "Ich glaube, dass es am ehesten ein solches Molekül sein könnte, da die Bindungsenergie so gering zu sein scheint."

Die Entdeckung war ein aufwendiges Puzzlespiel. Millionen von Zerfällen wurden an den Beschleunigern in China und Japan registriert. Zusammen genommen nur 466-mal wurden dabei Events erfasst, bei denen es sich um Z(3900) handelte. Die Auswertung der Messdaten dauerte so lange, dass die Forscher die Entdeckung des neuen Teilchens erst knapp drei Jahre nach Beendigung des Bell-Experiments in Japan verkünden konnten. Der Beschleuniger in Tsukuba, 60 Kilometer nordöstlich von Tokio, wird derzeit technisch aufgerüstet, um 2015 als Belle-2 neu zu starten.

Wie so oft in der Wissenschaft spielte auch bei Z(3900) der Zufall eine Rolle. Ursprünglich wollten die Forscher das mysteriöse Teilchen mit dem Namen Y(4260) genauer untersuchen, das bereits 2005 beim BaBar-Experiment in Kalifornien gefunden worden war. Bei der Auswertung der Zerfallsdaten stießen die Wissenschaftler dann auf Z(3900).

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insgesamt 164 Beiträge
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1. Das Universum ist Klasse
felisconcolor 18.06.2013
es kommt nie Langeweile auf. jedesmal wenn wir glauben das die Antwort vielleicht doch 42 ist, kommt es daher und zeigt uns etwas was noch viel seltsamer ist.
2. 4 Quarks
Layer_8 18.06.2013
Zitat von sysopKEK High Energy Accelerator Research OrganizationEs ist viermal so schwer wie ein Proton, sehr kurzlebig und elektrisch geladen: Ein parallel an zwei Beschleunigern nachgewiesenes Teilchen lässt Forscher rätseln. Es heißt Z(3900) und könnte aus vier Quarks bestehen - das wäre ein Novum. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/neue-materieform-physiker-entdecken-mysterioeses-teilchen-a-906452.html
Sollte es vielleicht doch eher heißen: "2 Quarks und 2 Antiquarks"? Wegen Farbneutralität und ganzzahliger elektrischer Ladung. Ein "Doppelmeson" quasi...
3. Anspruchsvoller Artikel
donald_rumsfeld 18.06.2013
Stelle mich nicht gegen diese neuen Erkentnisse, Allerdings sind 10 hoch -23 Sekunden Lebensdauer sehr kurz. Und 466 Events bei Millionen Messungen wäre in der Chemie ein Messfehler bzw. Geräte-und oder Versuchsaufbauanomalie. Ist dies mal unabhänig überprüft worden oder handelt es sich hier um ein Artefakt dem man nachjagt? Wenn Forscher etwas finden wollen, sehen sie es irgenwann! Wäre gut wenn die Leute in Genf am LHC CERN den Versuch mal nachstellen und die Resultate verifizieren
4. D. Adams
friedel_3 18.06.2013
Zitat von felisconcolores kommt nie Langeweile auf. jedesmal wenn wir glauben das die Antwort vielleicht doch 42 ist, kommt es daher und zeigt uns etwas was noch viel seltsamer ist.
Die Antwort ist 42. Nur, die Wissenschaftler glauben es n o c h nicht. Dies ganzen Experimente liegen noch vor 42...
5. Energieunschärfe
Layer_8 18.06.2013
Zitat von donald_rumsfeldStelle mich nicht gegen diese neuen Erkentnisse, Allerdings sind 10 hoch -23 Sekunden Lebensdauer sehr kurz. Und 466 Events bei Millionen Messungen wäre in der Chemie ein Messfehler bzw. Geräte-und oder Versuchsaufbauanomalie. Ist dies mal unabhänig überprüft worden oder handelt es sich hier um ein Artefakt dem man nachjagt? Wenn Forscher etwas finden wollen, sehen sie es irgenwann! Wäre gut wenn die Leute in Genf am LHC CERN den Versuch mal nachstellen und die Resultate verifizieren
"10 hoch -23 Sekunden Lebensdauer" ergibt dann auch eine prinzipiell unbestimmte (genaue) Masse, nach Heisenberg. Und das mit den "Messfehlern", da gibt es schon ziemlich gute Filter inzwischen...
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Sie sind buchstäblich das, was die Welt im Innersten zusammenhält: die Grundkräfte der Natur. Sie sind die Basis aller physikalischen Vorgänge, ohne sie wäre unser Universum nicht denkbar. Die Wissenschaft kennt vier dieser Kräfte, die auch fundamentale Wechselwirkungen genannt werden. Seit Jahrzehnten fahnden Wissenschaftler auch nach einer fünften - bisher allerdings ergebnislos.
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Isaac Newton hat im 17. Jahrhundert die Schwerkraft erstmals mathematisch beschrieben. Sie besitzt eine unendliche Reichweite, lässt sich - anders als andere Grundkräfte - nicht abschirmen und wirkt vor allem auf große Distanzen. Planeten, Sterne und ganze Galaxien werden maßgeblich von ihr gesteuert. Dennoch ist sie die schwächste aller Fundamentalkräfte. Ein Mensch etwa - obwohl im Vergleich zur Erde winzig klein - kann die Schwerkraft zumindest kurzzeitig spielend mit seiner Körperkraft überwinden.
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Sie ist neben der Gravitation die zweite Kraft, der schon früh der Rang eines allgemeinen Naturgesetzes gegeben wurde. Auf ihr basieren die meisten Alltagsphänomene: Wenn eine Glühbirne dank Strom Licht erzeugt, wenn Magneten sich anziehen, wenn Substanzen chemisch miteinander reagieren ist die elektromagnetische Wechselwirkung die Basis des Geschehens. Die Teilchen, durch die sie vermittelt wird, sind die Photonen.
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Die schwache Kernkraft
Die schwache Wechselwirkung ist die Grundlage einiger radioaktiver Zerfallsprozesse und spielt auch eine Rolle bei der Kernfusion, die etwa im Innern von Sternen abläuft. Sie besitzt wie auch die starke Kernkraft nur eine kurze Reichweite.

Die schwache Kernkraft sagt auch die Existenz des sogenannten Higgs-Bosons voraus, das der Theorie zufolge allen anderen Elementarteilchen ihre Masse verleiht. Der Partikel, auch "Gottesteilchen" genannt, wurde bisher aber noch nicht direkt beobachtet. Weltweit fahnden Forscher intensiv nach dem Teilchen. Mit Hilfe großer Teilchenbeschleuniger wie dem Large Hadron Collider (LHC) in Genf könnte es schon bald nachgewiesen werden.
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Seit Jahrzehnten fahnden Wissenschaftler nach einer fünften Kraft. Sie soll ähnlich schwach sein wie die Gravitation und auf Objekte aller Art wirken. Doch experimentell ließ sich die fünfte Fundamentalkraft - trotz einiger Versuche insbesondere in den späten achtziger Jahren - nicht schlüssig belegen.

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