Helmholtz Research Academy Hesse for FAIR

Tetraquarks

Tetraquarks

Quarks und Antiquarks sind die fundamentalen Bausteinen unserer Materie. Denn Protonen und Neutronen, die die Bestandteile des Atomkerns bilden, bestehen ihrerseits jeweils aus drei Quarks. Die Kombination der Quarks bestimmt letztendlich, ob es sich um ein Proton, ein Neutron oder gar um ein ganz anderes Teilchen handelt.

Hier sind der Fantasie erstmal keine Grenzen gesetzt, es gilt nur, bestimmte Erhaltungssätze zu beachten — am Ende muss nämlich ein farbneutrales Objekt herauskommen, das eine ganzzahlige Ladung hat.

Was heißt das konkret? Das würde zum Beispiel ausschließen, dass wir zwei Quarks miteinander verbinden, da es nicht möglich wäre, diese Kombination farbneutral zu gestalten. Was wiederum funktionieren würde, wäre eine Kombination aus Quark und Anti-Quark, da sich hier die Farbladung und die Anti-Farbladung auslöschen würden. Diese Kombination nennt man schlussendlich Mesonen. Kombinationen aus 3 Quarks, die sich analog zum Farbkreis zu farbneutral (man sagt auch „weiß“) kombinieren, nennt man Baryonen.

Nun hat die Grundlagenforschung der letzten Jahre herausgefunden, dass auch Teilchen mit mehr als drei Quarks existieren. Hier kommen die Tetraquarks ins Spiel, also quasi Vierer-Pakete, die sich aus zwei Quarks und zwei Antiquarks zusammensetzen. Auch Kombinationen aus noch mehr Quarks und Antiquarks sind möglich. Solche Gruppierungen bezeichnet man als exotische Teilchen. Ihre Existenz galt lange Zeit als umstritten. So gelang auch erst im Jahr 2016 ein experimenteller Nachweis der Tetraquarks am LHCb- Experiment am CERN.

Im Rahmen des PANDA Experiments sollen Hadronen und insbesondere die Tetraquarks jetzt in Hessen noch intensiver erforscht und näher untersucht werden. Dafür wird ein vielseitiger Detektor an der neuen FAIR-Anlage zum Einsatz gebracht werden, in dem von einem primären Protonenstrahl Antiprotonen erzeugt werden. Diese werden dann in den Hochenergiespeicherring (HESR) eingespeist und kollidieren mit dem festen Protonen- oder Kerntarget im Inneren des PANDA-Detektors. Anhand dieser Kollisionen kann dann ein breites Spektrum an physikalischen Themen der Hadronenphysik untersucht werden.

Vor allem Fragen zur schwachen und starken Wechselwirkung sowie zur Struktur von Hadronen sollen dabei geklärt sowie die Suche nach exotischer Materie fortgesetzt werden. Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Helmholtz Akademie Hessen für FAIR stehen also große und spannende Herausforderungen bevor.

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