Manchmal ist die interessanteste Antwort die auf eine Frage, die man gar nicht gestellt hat. Die GlueX-Kollaboration am Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Virginia hatte es auf ein bestimmtes exotisches Teilchen abgesehen – und fand es nicht. Stattdessen tauchten in den Daten zwei andere Signale auf, die es so noch nicht gab. Beteiligt an der jetzt in den Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit sind auch Frank Nerling, Wissenschaftlicher Koordinator und PI der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR (HFHF), und Klaus Goetzen von der GSI.
Um zu verstehen, warum das aufregend ist, muss man kurz zurück in die 1950er Jahre. Damals begannen Physikerinnen und Physiker in Beschleunigerexperimenten immer neue Teilchen zu entdecken – so viele, dass man bald vom „Teilchenzoo" sprach. Ordnung in dieses Durcheinander brachte 1964 das Quarkmodell: Alle diese Hadronen ließen sich als Kombinationen weniger fundamentaler Bausteine beschreiben. Mesonen bestehen demnach aus einem Quark und einem Antiquark, Baryonen wie Proton oder Neutron aus drei Quarks. Anfangs kam das Modell mit drei Quarksorten aus – up, down und strange. Mit der Entdeckung des Charm-Quarks 1974 wuchs es nach und nach auf sechs, und daraus entstand schließlich das Standardmodell der Teilchenphysik.
Das Modell funktionierte lange hervorragend. Doch seit der Jahrtausendwende sind die Beschleuniger und Detektoren so empfindlich geworden, dass sie Zustände sichtbar machen, die sich in keine der vorgesehenen Schubladen einordnen lassen. Ihre Quantenzahlen passen nicht zu einem einfachen Quark-Antiquark-Paar. Man taufte sie schlicht XYZ-Zustände – nicht weil der Name etwas erklären würde, sondern weil man schneller neue Teilchen fand, als man sich Bezeichnungen ausdenken konnte. Frank Nerling zieht hier gerne die historische Parallele: „Vor siebzig Jahren stand die Physik vor einem Zoo von Hadronen, heute steht sie vor einem Zoo von Exotika.“
Was könnten diese Zustände sein? Diskutiert werden mehrere Möglichkeiten: Vierquark-Systeme, sogenannte Tetraquarks. Molekülartige Gebilde aus zwei aneinander gebundenen Hadronen. Oder – besonders spannend – Hybride, bei denen angeregte Gluonen, die Trägerteilchen der starken Wechselwirkung, selbst zur Struktur des Teilchens beitragen. Genau solche Hybridmesonen vorherzusagen ist eine der offenen Aufgaben der Quantenchromodynamik, und genau danach zu suchen ist die eigentliche Aufgabe des GlueX-Experiments.
Im Visier hatte das Team diesmal einen Zustand namens Y(2175), der 2006 am BaBar-Experiment in Kalifornien aufgetaucht war und später auch in China und Japan bestätigt wurde. Er liegt im sogenannten Strangeonium-Bereich, also dort, wo sich Zustände aus einem Strange- und einem Anti-Strange-Quark versammeln. Das Auffällige daran: Gesehen wurde Y(2175) bislang ausschließlich in der Vernichtung von Elektronen und Positronen. Ob es sich auch anders erzeugen lässt, war offen – und diese Frage ist alles andere als nebensächlich. Wie ein Teilchen entsteht, verrät viel darüber, wie es aufgebaut ist. Es ist ein bisschen wie bei einem Gegenstand, den man nur aus einer einzigen Blickrichtung kennt: Erst die zweite Perspektive zeigt, wie er wirklich aussieht.
GlueX bietet genau diese zweite Perspektive. Am Jefferson Lab wird der Elektronenstrahl des CEBAF-Beschleunigers an einem hauchdünnen Diamantplättchen in einen Strahl energiereicher Photonen mit ausgerichtetem Spin umgewandelt. Millionen dieser Lichtteilchen treffen Sekunde für Sekunde auf Protonen in einem Target aus flüssigem Wasserstoff, und ein großflächiges Spektrometer registriert, was dabei entsteht. Die Datenmengen sind entsprechend: Was die Anlage in Minuten produziert füllt Festplatten.
In diesen Daten suchte das Team nach Y(2175) – vergeblich. Was sich stattdessen zeigte, waren zwei zuvor unbekannte Strukturen in unmittelbarer Nachbarschaft: eine bei etwa 2,24 Milliarden Elektronenvolt, Y(2240) getauft, und eine zweite bei rund 1,82 Milliarden Elektronenvolt, bezeichnet als X(1830). Für Y(2240) erreichten die Forschenden eine statistische Signifikanz von fünf Sigma, was einer Irrtumswahrscheinlichkeit von weniger als eins zu einer Million entspricht – in der Teilchenphysik die Schwelle für eine Entdeckung. X(1830) liegt bei drei Sigma und gilt damit als deutlicher Hinweis, aber noch nicht als gesichert.
Auch das Ausbleiben von Y(2175) ist ein Ergebnis: Die Messung setzt eine Obergrenze dafür, wie häufig dieser Zustand über Photonen überhaupt erzeugt werden kann. Solche Grenzen sind für die Theorie oft ebenso wertvoll wie ein positives Signal. Jetzt, sagt Nerling, gehe es darum, „welche exotischen Quark-Konfigurationen die Natur hier realisiert hat" – eine Frage, die zunächst die Theoretikerinnen und Theoretiker beantworten müssen, bevor die nächsten Messungen geplant werden können.
Für die HFHF ist dieses Thema Kerngeschäft (pun intended). Im Forschungsschwerpunkt Hadronen geht es genau darum, exotische Zustände aufzuspüren und im Rahmen der starken Wechselwirkung zu deuten. Das Programm QCD at FAIR wird sich denselben Fragen widmen – dann mit den Möglichkeiten der FAIR-Anlage. Das Zusammenführen dieser Blickwinkel wird zeigen, welche Bewohner des exotischen Teilchenzoos wirklich neu sind und welche wir nur bislang falsch einsortiert haben.
Originalpublikation: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/jsfs-nq46