UZH-Forschende entdecken neues Teilchen am CERN

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Physiker der Universität Zürich haben bei Experimenten am Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) ein bisher noch unbekanntes Teilchen aus drei Quarks entdeckt. Damit konnte im LHC erstmals ein neues Baryon nachgewiesen werden. Das Baryon mit der Bezeichnung Xi_b^* bestätigt fundamentale Annahmen der Physik über die Bindung von Quarks.

In der Teilchenphysik bezeichnet die Familie der Baryonen Partikel, die aus jeweils drei Quarks zusammengesetzt sind. Die Quarks sind eine Gruppe von insgesamt sechs Teilchen, die sich durch ihre Masse und ihre Ladung unterscheiden. Die beiden leichtesten Quarks, das so genannte up- und down-Quark bilden unter anderem die beiden Atombausteine, das Proton und das Neutron. Alle Baryonen, die aus den drei leichtesten Quarks (up-, down-, und strange-Quark) gebildet werden, sind bekannt. Von den Baryonen mit schweren Quarks konnten bisher erst wenige beobachtet werden. Sie können nur in Teilchenbeschleunigern künstlich erzeugt werden, da sie schwer und sehr instabil sind.

Im Rahmen der Protonenkollisionen LHC am CERN ist es den Physikern Claude Amsler, Vincenzo Chiochia und Ernest Aguiló vom Physik-Institut der Universität Zürich gelungen, ein Baryon mit einem leichten und zwei schweren Quarks nachzuweisen. Das Teilchen Xi_b^* besteht aus einem up-, einem strange- und einem bottom-Quark (usb), ist elektronisch neutral und hat einen Spin von 3/2 (1,5). 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 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. Xi_b^* zerfällt jedoch in einer bekannten Kaskade von Zerfallsprodukten. Ernest Aguiló, Postdoktorand aus der Gruppe von Prof. Amsler, identifizierte in den Messdaten Spuren der jeweiligen Zerfallsprodukte und konnte daraus eine Reihe rekonstruieren, an deren Ausgangspunkt ein Xi_b^*-Zerfall stand.

Die Berechnungen beruhen auf Daten von Protonenkollisionen mit einer Energie von 7 Tera-Elektronenvolt (TeV), die zwischen April und November 2011 vom CMS-Detektor gesammelt wurden. Insgesamt konnten 21 Zerfälle eines Xi_b^*-Baryons entdeckt werden. Dies ist statistisch genügend signifikant, um eine Zufallsmessung auszuschliessen.

Die Entdeckung des neuen Teilchens bestätigt die Theorie, wie Quarks binden. Sie leistet damit einen Beitrag zum Verständnis der starken Wechselwirkung, die als eine der vier Grundkräfte der Physik die Struktur der Materie bestimmt.

UZH und LHC

Die Universität Zürich ist mit drei Forschungsgruppen am LHC am CERN beteiligt. Die Gruppen von Prof. Amsler und Prof. Chiochia arbeiten am CMS-Experiment, die Gruppe von Prof. Straumann beteiligt sich am LHCb Experiment.

CMS-Detektor

Der CMS-Detektor dient dazu, Energie und Impuls von Photonen, Elektronen, Myonen und anderen geladenen Teilchen mit hoher Genauigkeit zu messen. Im 12'500 Tonnen schweren Detektor sind schichtweise verschiedene Messvorrichtungen angeordnet, mit denen die Spuren der bei den Kollisionen entstehenden Teilchen eingefangen werden können. An der Entwicklung des CMS waren weltweit 179 Institutionen beteiligt. In der Schweiz sind es die Universität Zürich, die ETH Zürich und das Paul Scherrer Institut.

Quelle: Universität Zürich (idw)