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CERN
Forscher entdecken neues Teilchen
Redaktion / Pressemitteilung der Universität Zürich
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30. April 2012

Es ist zwar nicht das lange gesuchte Higgs-Teilchen, das Physiker nun am Large Hardron Collider (LHC) des CERN in Genf entdeckt haben, doch ist der Nachweis eines bislang noch nicht beobachteten Baryons ein wichtiges Indiz für die Richtigkeit der Theorien der Teilchenphysiker. Auch der Fund des Higgs-Teilchen könnte damit nun in greifbare Nähe gerückt sein.

CMS-Detektor

Der Detektor CMS während des Aufbaus im Jahr 2007. Foto: CERN / CMS Collaboration

Protonen und Neutronen sind schon längst nicht mehr die kleinsten Einheiten in der Welt der Teilchenphysiker. Auch diese, wohl vielen noch aus dem Schulunterricht bekannten Partikel, bestehen aus noch kleineren Bestandteilen, nämlich aus drei sogenannten Quarks. Sie gehören damit zu einer von den Wissenschaftlern als Baryonen bezeichneten Partikelgruppe, die alle aus jeweils drei Quarks zusammengesetzt sind.

Die Quarks sind eine Gruppe von insgesamt sechs Teilchen, die sich durch ihre Masse und ihre Ladung unterscheiden. Aus den beiden leichtesten Quarks, dem sogenannten up- und down-Quark, werden unter anderem das Proton und das Neutron gebildet, die einzigen beiden natürlich - also außerhalb von Experimenten - vorkommenden Baryonen. Doch auch alle anderen, aus den drei leichtesten Quarks (dem up-, down- und dem strange-Quark) gebildeten Baryonen, konnten die Wissenschaftler schon nachweisen.

Von den Baryonen mit schweren Quarks wurden allerdings bisher erst wenige beobachtet. Sie können nämlich nur in Teilchenbeschleunigern künstlich erzeugt werden, da sie schwer und sehr instabil sind. Mit Hilfe eines Experimentes am Large Hardron Collider des Genfer CERN ist es einem Team von Physikern, darunter Claude Amsler, Vincenzo Chiochia und Ernest Aguiló von der Universität Zürich, nun gelungen, ein bislang unbekanntes Baryon aus einem leichten und zwei schweren Quarks nachzuweisen.

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Das neue Teilchen mit der Bezeichnung Xib* besteht aus einem up-, einem strange- und einem bottom-Quark (abgekürzt "usb"), ist elektrisch neutral und hat einen Spin von 3/2 . Seine Masse ist mit derjenigen eines Lithium-Atoms vergleichbar. Mit der neuen Entdeckung sind nun zwei der drei von der Theorie vorausgesagten Baryonen in der Zusammensetzung usb beobachtet worden.

Als Grundlage der Entdeckung dienten Daten, die im Compact Muon Solenoid (CMS)-Detektor gesammelt wurden, an dessen Entwicklung die Universität Zürich beteiligt war. Das neue Teilchen kann nicht direkt nachgewiesen werden, da es zu instabil ist, um vom Detektor erfasst zu werden. Xib* zerfällt jedoch in einer bekannten Kaskade von Zerfallsprodukten. Aguiló identifizierte in den Messdaten Spuren der jeweiligen Zerfallsprodukte und konnte daraus eine Reihe rekonstruieren, an deren Ausgangspunkt ein Xib*-Zerfall stand. Die Berechnungen beruhen auf Daten von Protonenkollisionen mit einer Energie von sieben Tera-Elektronenvolt, die zwischen April und November 2011 vom CMS-Detektor gesammelt wurden.

Insgesamt konnten 21 Zerfälle eines Xib*-Baryons entdeckt werden, was mehr als fünfmal mehr ist, als aufgrund eines reinen statistischen Zufalls zu erwarten gewesen wäre. Die Entdeckung des neuen Teilchens ist, so die Forscher, eine Bestätigung der fundamentalen Theorie über das Bindungsverhalten von Quarks und leistet damit auch einen Beitrag zum Verständnis der starken Wechselwirkung, die als eine der vier Grundkräfte der Physik die Struktur der Materie bestimmt.

Der Fund eines vergleichsweise schweren Baryons mit dem CMS-Detektor stimmt die Physiker zudem zuversichtlich, schon bald auch das Higgs-Teilchen zu entdecken, für dessen Nachweis das CMS-Experiment entwickelt worden war. "Wenn das Higgs-Teilchen so schwer ist und sich so verhält, wie es gemäß der Theorie zu erwarten wäre, dann werden wir es noch in diesem Jahr finden", so Chiochia. Die Ergebnisse des Teams wurden bei der Fachzeitschrift Physical Review Letters zur Veröffentlichung eingereicht.

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siehe auch
CERN: Physiker kreisen Higgs-Teilchen ein - 13. Dezember 2011
Large Hadron Collider: Forscher freuen sich über erste Resultate - 3. März 2010
CERN: First Beam am Large Hadron Collider - 10. September 2008
Links im WWW
Universität Zürich
CERN
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