Charm ist mehr als nur ein Wort für Anziehungskraft – in der Welt der Teilchenphysik bezeichnet es eine fundamentale Eigenschaft von Quarks, den Bausteinen der Materie. Genauer gesagt ist das Charm-Quark eines der sechs bekannten Quark-Flavours und spielt eine entscheidende Rolle bei der Erforschung der starken Wechselwirkung, jener fundamentalen Kraft, die Atomkerne zusammenhält. An der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR (HFHF) untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dieses Quark in verschiedenen Experimenten an der FAIR-Anlage, insbesondere im Rahmen der PANDA- und CBM-Experimente.
Im PANDA-Experiment (antiProton Annihilation at Darmstadt) stehen charmhaltige Teilchen ganz besonders im Fokus. Hier werden Antiprotonen mit Protonen zur Wechselwirkung gebracht, wodurch verschiedene Teilchen entstehen, darunter auch solche mit Charm-Quarks. Ziel ist es, exotische Materiezustände und sogenannte Hybride zu identifizieren, die eine Kombination aus Quarks und Gluonen darstellen. Diese Forschungen helfen, das Zusammenspiel der fundamentalen Kräfte besser zu verstehen und neue Teilchen zu entdecken, die in theoretischen Modellen vorhergesagt, aber bisher nicht nachgewiesen wurden. Ein besonderes Augenmerk liegt auf den sogenannten "glueball candidates" – Teilchen, die fast ausschließlich aus Gluonen bestehen und in den Kollisionen im PANDA-Experiment erzeugt werden könnten.
Das CBM-Experiment (Compressed Baryonic Matter) betrachtet das Charm-Quark aus einer anderen Perspektive. Hier geht es um extrem dichte Materie, wie sie in Neutronensternen oder in den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall existierte. Charm-Quarks sind in solchen Umgebungen von besonderem Interesse, da sie sich in extrem kurzer Zeit bilden und wieder zerfallen. Ihre Untersuchung ermöglicht wertvolle Einblicke in die Eigenschaften stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen. Durch die Messung von D-Mesonen, Teilchen, die aus einem Charm-Quark und einem anderen Anti-Quark bestehen, können Forscherinnen und Forscher der HFHF die Eigenschaften dieser dichten Materiezustände untersuchen und Theorien zur Quantenchromodynamik (QCD) testen.
Beide Experimente tragen auf ihre Weise dazu bei, das Wissen über das Charm-Quark und seine Wechselwirkungen zu erweitern. Während PANDA sich auf die Erforschung neuer Teilchen und Quark-Gluon-Zustände konzentriert, hilft CBM, die Bedingungen extremer Materiezustände zu analysieren. Die Kombination beider Ansätze bringt die Wissenschaft einen Schritt weiter in der Entschlüsselung der fundamentalen Eigenschaften unserer Materie. Die Arbeiten, die unter anderem durch die Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR gefördert werden, unterstreichen die Bedeutung dieser Grundlagenforschung für das Verständnis der Natur auf ihrer tiefsten Ebene.
Die Erforschung von Charm-Quarks ist dabei nicht nur ein nationales, sondern ein internationales Unterfangen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der ganzen Welt arbeiten im Rahmen von PANDA, CBM und anderen Experimenten an FAIR zusammen, um neue Erkenntnisse zu gewinnen. FAIR ist eine der bedeutendsten internationalen Forschungseinrichtungen in der Teilchenphysik und vereint Expertise aus vielen Ländern, die auch in anderen Kollaborationen gesammelt wird.