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Die flüchtige Verbindung zweier Top-Quarks
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Universität Hamburg
astronews.com
18. Juli 2025
Mithilfe zweier Experimente am Large Hadron Collider
des CERN in Genf wurden nun Hinweise auf ein Teilchen gefunden, von dem man
bislang nicht geglaubt hatte, dass man es nachweisen kann: Toponium. Mit dieser
Entdeckung könnte die grundlegende Struktur aller Materie noch detaillierter
entschlüsselt werden. Nun wartet man gespannt auf neue Daten.
Künstlerische Darstellung der kurzlebigen
Verbindung eines Top-Quarks und eines Top-Antiquarks, die
durch den Austausch von Gluonen entsteht.
Bild: D. Dominguez / CERN [Großansicht] |
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Hamburg und des
Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY, die gemeinsam im Exzellenzcluster
"Quantum Universe" der Universität arbeiten, haben in zwei Experimenten am
Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) des CERN Signale
gefunden, die auf ein extrem seltenes Teilchen namens Toponium – einen
gebundenen Zustand aus einem Top-Quark und seinem Antiteilchen – hindeuten.
Das Top-Quark ist das schwerste aller bekannten Elementarteilchen. Es
entsteht bei den Kollisionen im LHC, ist aber so massiv und so instabil, dass es
typischerweise in weniger als einer Quadrillionstel Sekunde zerfällt. Bislang
ging man davon aus, dass das Teilchen so schnell verschwindet, dass sich ein
Verschmelzen mit seinem Antiteilchen zu einem gebundenen Zustand nicht
nachweisen lässt. Die neuen Messergebnisse lassen an dieser Annahme zweifeln.
"Das ist einer dieser Momente, in denen die Natur unsere Erwartungen über den
Haufen wirft, denn wir waren uns sicher, dass ein solches Teilchen nicht
beobachtet werden kann – schon gar nicht unter Bedingungen, wie wir sie am LHC
haben", sagt Dr. Alexander Grohsjean. Er forscht an der Universität Hamburg im
Rahmen des Compact-Muon-Solenoid-Experiments (CMS). "Dieses Ergebnis
könnte die Lehrbücher umschreiben", ergänzt Prof. Dr. Christian Schwanenberger,
Professor für Experimentalphysik an der Universität Hamburg und ebenfalls am
CMS-Experiment beteiligt. "Es stellt Dinge infrage, die Generationen von
Physikerinnen und Physikern für selbstverständlich hielten."
Die Entdeckung wurde unabhängig voneinander in den Experimenten CMS und ATLAS
gemacht. Sie konnten eine größere Menge an Top-Quarks und ihren Gegenparts mit
ungewöhnlich niedriger Bewegungsenergie messen. In dieser speziellen
Konstellation besteht genug Zeit, einander anzuziehen und kurzzeitig ein
Teilchen wie Toponium zu bilden. Die ersten Hinweise darauf tauchten bereits
2016 im CMS-Experiment auf, mit weiteren Daten aus den Jahren 2017 und 2018, die
das Signal stärkten. Nun hat ATLAS die Verbindung durch eigene Daten bestätigt.
Die Ergebnisse wurden auf der Konferenz für Hochenergiephysik der Europäischen
Physikalischen Gesellschaft vorgestellt und anschließend in einem
Spezialkolloquium im Rahmen des Exzellenzclusters "Quantum Universe" diskutiert.
"Es geht hier nicht nur darum, ein neues Teilchen zu entdecken", sagt Laurids
Jeppe, Doktorand an der Universität Hamburg und Teil des CMS-Teams am DESY. "Es
zeigt, dass wir inzwischen eine Präzision erreicht haben, mit der selbst die
seltensten und flüchtigsten Prozesse in der Natur messbar werden." Nun geht es
darum, das Signal genauer zu untersuchen. "Derzeit sammelt der LHC wieder neue
Daten – damit verdreifacht sich unser Datensatz", erklärt Dr. Katharina Behr vom
ATLAS-Experiment am DESY. "Damit können wir Toponium noch genauer erforschen."
Toponium würde der Physik ein neues Werkzeug an die Hand geben, um die starke
Wechselwirkung zu untersuchen – eine der vier fundamentalen Kräfte der Natur,
die Quarks zu Protonen und Neutronen bindet. Gleichzeitig wirft es ein neues
Licht auf das Verhalten des Top-Quarks selbst, das sich deutlich von dem seiner
leichteren Verwandten unterscheidet. Warum das so ist und welche Modelle das
beschreiben könnten, untersuchen nun theoretische Physikerinnen und Physiker an
der Universität Hamburg und am DESY.
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