// HEISE ONLINE — HARDWARE & GADGET
Teilchenphysik: Forscher weisen reines Glueball-Teilchen nach
Nach 50 Jahren Suche gibt es den bislang stärksten Nachweis für ein Glueball – ein Teilchen aus reiner Bindungsenergie der starken Kernkraft.
This article is also available in
English.
It was translated with technical assistance and editorially reviewed before publication.
Materie besteht aus Quarks. Die Bausteine von Atomkernen, Protonen und Neutronen, sind aus diesen fundamentalen Teilchen zusammengesetzt – zusammengehalten durch Gluonen. Diese wirken als Klebstoff (englisch glue = Klebstoff) und halten die Quarks zusammen. Doch die Theorie der starken Kernkraft sagt noch etwas anderes voraus: Gluonen sollten sich auch untereinander binden können – zu sogenannten „Gluonenbällen“, Teilchen ohne jeden Quark-Inhalt, quasi Materie aus reinem Zusammenhalt.
Diesen Zustand haben Physikerinnen und Physiker seit Jahrzehnten gesucht. Nun meldet die Beijing Spectrometer(BESIII)-Kollaboration in einem Preprint auf arXiv und einer Präsentation auf der International Conference on High Energy Physics. Das Teilchen X(2370) ist aller Wahrscheinlichkeit nach dominant aus einem Gluonenball zusammengesetzt.
Wer Glueballs verstehen will, muss einen Unterschied begreifen. Die Physik kennt verschiedene Kräfte, und jede hat ihre eigenen Botenteilchen. Photonen vermitteln den Elektromagnetismus. Sie ignorieren sich gegenseitig, weil sie selbst keine elektrische Ladung tragen. Gluonen sind die Botenteilchen der starken Wechselwirkung und funktionieren anders: Sie tragen selbst die sogenannte Farbladung der starken Kraft und ziehen sich deshalb gegenseitig an. Gebundene Zustände aus Gluonen allein sind daher prinzipiell möglich.
Allerdings können sich Glueballs theoretisch mit gewöhnlichen Quarks und Antiquarks mischen, also den Grundbausteinen von Materie. Statt als eigenständige neue Teilchen aufzutreten, erscheinen sie möglicherweise als Hybride. Genau das erschwert ihre eindeutige Identifikation und erklärt, warum die Suche mehr als ein halbes Jahrhundert gedauert hat.
Computersimulationen der starken Kraft sagen für den leichtesten Glueball eine Masse zwischen 2,3 und 3,0 GeV/c² vorher – damit drücken Hochenergiephysiker die Masse von Teilchen aus. Das Teilchen X(2370) liegt mit gemessenen 2,359 GeV/c² genau in diesem Bereich.
Der Teilchendetektor Beijing Spectrometer III (BESIII) wurde eigens für die Suche nach solchen exotischen Zuständen konzipiert. Er registriert Kollisionen zwischen Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen, und produziert dabei in großer Zahl das J/ψ-Meson – ein Teilchen, dessen Zerfallsprodukte als besonders geeignet für die „Glueball“-Suche gelten, weil sie außerordentlich gluonenreich sind. Mesonen bestehen generell aus verschiedenen Quark-Antiquark-Kombinationen.
Für die aktuelle Analyse standen der Kollaboration 10 Milliarden J/ψ-Ereignisse zur Verfügung. Das X(2370) selbst wurde von BESIII bereits 2011 erstmals entdeckt und seitdem in zahlreichen weiteren Zerfallskanälen bestätigt. 2024 wurden seine Quantenzahlen – die teilchenphysikalischen Fingerabdrücke, die einen Zustand eindeutig charakterisieren – erstmals bestimmt. Das X(2370)-Signal erreichte dabei eine Signifikanz von mehr als 11,7 Sigma. In der Teilchenphysik gilt eine Entdeckung erst ab 5 Sigma als gesichert, was einer Wahrscheinlichkeit von weniger als eins zu dreieinhalb Millionen entspricht, dass das Ergebnis ein statistischer Zufall ist. Die gemessenen Eigenschaften passen laut den Forschenden exakt zur Glueball-Vorhersage.
Der zentrale neue Befund betrifft eine fundamentale Eigenschaft von Glueballs, genauer ihre „Gleichgültigkeit gegenüber Quarksorten“. Da Gluonen gleich stark an alle Quarksorten koppeln (die sogenannten „Flavors“), sollten Glueballs keine Vorliebe für bestimmte Quarksorten entwickeln.