Pentaquark

Das Pentaquark (von griech. penta, dt. fünf) ist ein Hadron mit einer Baryonenzahl von +1.

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Um seinen Aufbau im Rahmen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik verstehen zu können, muss es mindestens aus fünf Quarks aufgebaut sein, genauer vier Quarks und einem Antiquark.

Im Sprachgebrauch wird mit Pentaquark oft das leichteste dieser Teilchen bezeichnet, welches eine Strangeness von +1 besitzt und den Eigennamen Θ⁺ (gesprochen Theta+) trägt. Da sich eine Strangeness von +1 nur durch ein Antistrange-Quark realisieren lässt, sind für eine Baryonenzahl von +1 mindestens 4 weitere Quarks nötig. So besteht das Θ⁺ nach dem Quarkmodell aus zwei up- und zwei-down Quarks sowie einem Antistrange-Quark. Eine solche Konfiguration ist im Rahmen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik zwar erlaubt, wurde jedoch noch nicht beobachtet. Deswegen spricht man auch von einem exotischen Baryon.

Existenzkontroverse

Der zweifelsfreie experimentelle Nachweis seiner Existenz ist das Objekt intensiver Forschung und Debatten und wäre ein Durchbruch auf dem Gebiet der Physik der subatomaren, stark wechselwirkenden Teilchen (der sog. Hadronen), in der bisher lediglich Baryonen bestehend aus drei Quarks und Mesonen bestehend aus zwei Quarks bekannt waren. Zwar stellen Atomkerne ebenfalls stabile Quarkgebilde dar, allerdings bestehen diese stets aus einem Vielfachen von drei Quarks, da sie sehr gut als Bindungszustände von Protonen und Neutronen beschrieben werden können, die ihrerseits Baryonen bestehend aus drei Quarks sind.

Die Existenz von Pentaquarks wurde ursprünglich in einer Publikation 1997 von Dmitri Diakonov, V. Petrov und M. Polyakov vorhergesagt^[1], allerdings wurde diese Vorhersage sehr skeptisch von ihren Kollegen beurteilt. Die Vorhersage sagt ein Teilchen mit einer ungewöhnlich hohen Lebensdauer vorher, die zu einer sehr kleinen und daher deutlich zu beobachtenden totalen Zerfallsbreite von lediglich 30 MeV führen würde. Die Masse sollte 1530 MeV betragen.

Die erste experimentelle Beobachtung des Θ⁺ wurde im Juli 2003 von Takashi Nakano an der Universität von Osaka, Japan gemeldet und von Ken Hicks am Jefferson Laboratory, Virginia, USA, bestätigt. Diese überraschende Entdeckung führte zu einer Welle von Untersuchungen bereits existierender Daten nach Signalen für das Pentaquark. Innerhalb von wenigen Monaten meldeten etwa ein Dutzend verschiedene Gruppen ebenfalls Evidenz für das Θ⁺ entdeckt zu haben. Einige Gruppen behaupteten sogar, weitere Pentaquarks nachweisen zu können.

Allerdings tauchten ebenfalls Zweifel an den Ergebnissen auf, sowohl theoretischer als auch experimenteller Natur. Etwa ein Dutzend anderer experimenteller Gruppen haben keinerlei Hinweise auf die Existenz des Θ⁺ gefunden. Außerdem fanden die Experimente unterschiedliche Massen, die z.T. miteinander inkompatibel waren. Besonders überraschend war die geringe Zerfallsbreite, die noch deutlich unter dem vorhergesagten Wert von Diakonov, Petrov und Polyakov lag. Das Pentaquark würde damit über 100 mal länger leben als andere Teilchen mit vergleichbarer Masse.

Die CLAS Collaboration am Jefferson Laboratory in Newport News, Virginia, USA, unter der Leitung von Raffaella de Vita hat schließlich ein dediziertes Experiment gestartet, dessen Hauptziel die Untersuchung der Pentaquark-Hypothese ist. In dieser bisher umfassendsten Untersuchung ergaben sich keinerlei Hinweise auf die Existenz von Pentaquarks. Infolgedessen gehen diese Wissenschaftler davon aus, dass die bisherigen Nachweise von Pentaquarks auf falsch interpretierten Daten beruhen. Diese Arbeit ist in der April-Ausgabe 2005 der Zeitschrift Nature zu finden^[2].

Insgesamt ist es bis heute ungeklärt, wieso einige Gruppen das Teilchen beobachten, andere jedoch ein negatives Resultat finden. Sicherlich nicht zu vernachlässigen ist hierbei der Experimentatoreffekt.

Es ist interessant, noch darauf hinzuweisen, dass die meisten der Experimente, die keine Pentaquarks nachweisen konnten, Hochenergie-Experimente waren. In dieser Situation ist bekannt, dass bestimmte Mechanismen unterdrückt sind, die bei niedrigeren Energien durchaus für die Produktion von Pentaquarks verantwortlich sein könnten. Daher können die bisherigen Experimente die Existenz von Pentaquarks nicht schlüssig ausschließen.

Zusätzliche theoretische Vorhersagen von Eigenschaften der Pentaquarks wären prinzipiell mit Hilfe von Computersimulationen der Quantenchromodynamik möglich, so genannten Gittereichtheorien. Allerdings sind diese theoretischen Ansätze noch nicht sehr fortgeschritten, deshalb haben verschiedene Gruppen bisher widersprüchliche Resultate vorweisen können. Die endgültige Lösung dieses Problems erfordert wahrscheinlich bedeutsam mehr Rechenkapazität. Dennoch wird dieses Arbeitsgebiet nur sehr zurückhaltend gefördert, obwohl diese Methode nur einen Bruchteil der Kosten eines Experiments erfordert und eventuell die Existenz ausschließen oder wertvolle Informationen für die Experimentatoren liefern könnte.

Quellen

1. ↑ http://xxx.lanl.gov/abs/hep-ph/9703373
2. ↑ http://www.nature.com/news/2005/050418/full/050418-1.html