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Als Baryonen bezeichnen die Physiker eine Gruppe von Teilchen, die aus je drei Quarks zusammengesetzt sind. Quarks sind Elementarteilchen und neben Leptonen und Bosonen die kleinsten bekannten Bausteine der Materie.
Da es insgesamt sechs verschiedene Quarks mit unterschiedlicher Masse und Ladung gibt, existiert theoretisch eine grosse Anzahl von verschiedenen Baryonen. «Natürlicherweise», das heisst ausserhalb von Experimenten, kommen nur zwei Baryonen vor: die beiden Atombausteine Proton und Neutron. Sie bestehen jeweils aus Kombinationen der beiden leichtesten Quarks, des up- und des down-Quarks.
Neben diesen beiden Quarks existieren vier weitere: Das strange-, das bottom-, das charm- und das top-Quark. Sie alle können nur künstlich erzeugt werden. Baryonen mit den drei leichtesten Quarks, dem up-, down- und strange-Quark, sind bisher alle bekannt. Solche mit schweren Quarks konnten bisher jedoch erst wenige in Experimenten beobachtet werden.
Genau dies ist nun den beiden UZH-Physikprofessoren Claude Amsler und Vincenzo Chiochia gelungen: Sie haben im Large Hadron Collider (LHC) im CERN ein Baryon mit einem up-, einem strange- und einem bottom-Quark (usb) nachgewiesen.
«Gemäss Theorie existieren drei mögliche Baryonen mit der Zusammensetzung usb», erklärt Claude Amsler. «Bisher war eines davon bekannt, wir konnten nun eine weitere Variante nachweisen.» Das von den Zürcher Forschern entdeckte Baryon trägt die Bezeichnung Xi_b^*. Es ist elektrisch neutral und hat im Gegensatz zum bisher bekannten Xi_b- einen Eigendrehimpuls (Spin) von 1,5 statt 0,5. Die Masse des Teilchens entspricht etwa der eines Lithium-Atoms, es ist damit relativ schwer.
Die Daten zur Entdeckung lieferte der CMS-Detektor, an dessen Entwicklung Amsler und Chiochia beteiligt waren. Rund 3000 Wissenschaftler arbeiten am CMS-Experiment. Amslers Postdoktorand Ernest Aguiló war es, der die Daten auf der Suche nach dem unbekannten Baryon auswertete. «Unsere Gruppe an der Universität Zürich ist damit die erste, die mit dem CMS ein neues Teilchen entdeckt hat», freut sich Amsler.
«Damit schwere Quarks überhaupt entstehen können, sind hohe Energien notwendig, wie sie im Large Hadron Collider am CERN möglich sind», sagt Chiochia. Zwischen April und November des vergangenen Jahres wurden dort Protonenkollisionen mit der zuvor unerreichten Energie von sieben Tera-Elektonenvolt durchgeführt.
Obwohl der CMS-Detektor so nahe wie kein anderer am Kollisionspunkt sitzt, kann auch er das neue Teilchen nicht direkt nachweisen. Es ist so instabil, dass es sofort in weitere Teilchen zerfällt.
Dieses Zerfallen jedoch hinterlässt Spuren, die der CMS aufzeichnen kann. Als Produkt des zweiten Zerfalls in einer ganzen Reihe entstehen zwei charakteristische Myonen (µ+, µ-). Diese sind vergleichsweise langlebig und hinterlassen deutliche Spuren. «Damit wir in den riesigen Datenmengen gezielter nach dem Xi_b^* suchen konnten, haben wir für unser Experiment nur solche Kollisionen aufgezeichnet, in denen diese beiden Myonen sichtbar waren», erklärt Chiochia.
Aus diesen bereits vorgefilterten Daten konnten nun gezielt die Zerfallsprodukte identifiziert werden. Dabei gingen die Forschenden entlang der Zerfallsreihe zurück und untersuchten, ob die Spuren bestimmter Teilchen einen gemeinsamen Ursprung, sprich einen Zerfallspunkt haben. War dies der Fall, gingen sie von dort wiederum einen Schritt weiter zurück. Insgesamt hat Aguiló Spuren von 21 Ereignissen entdeckt, die auf ein Xi_b^*-Teilchen hinweisen.
«Das ist mehr als fünfmal mehr, als aufgrund rein statistischer Zufälle erwartet werden kann», so Chiochia. Die Messungen gelten deshalb als signifikant genug, dass man von einer Entdeckung sprechen kann. Im laufenden Jahr sollen im LHC dreimal so viele Daten wie im vergangenen Jahr gesammelt werden. Chiochia ist überzeugt, dass mit diesen Daten die Entdeckung bestätigt werden kann.
Dass es gelungen ist, mit den Daten aus dem CMS-Detektor ein schweres Baryon zu finden, stimmt Chiochia zuversichtlich für den weiteren Verlauf des CMS-Experiments. Dessen Ziel ist es, das so genannte Higgs-Teilchen zu finden. Das Higgs-Teilchen wird in der Standardtheorie der Physik gebraucht, um zu erklären, wie aus Energie Masse entstehen kann. Bisher konnte es aber noch nicht nachgewiesen werden. «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», ist Chiochia überzeugt.
Mit der Entdeckung des Xi_b^*-Baryons haben die Zürcher Forschenden bewiesen, dass sie zum Aufspüren schwerer Teilchen die richtigen Methoden haben. Im Wettlauf um die Entdeckung des Higgs-Teilchens wird dies sicher nicht von Nachteil sein.
