Pentaquark
Das Pentaquark (von griech. penta, dt. fünf) ist ein subatomares Teilchen mit einer Baryonenzahl von +1 und einer Strangeness von +1. Seine Existenz ist das Ziel intensiver Forschung und Debatten. Ein zweifelsfreier Nachweis der Existenz wäre ein Durchbruch auf dem Gebiet der Elementarteilchenphysik.
Um seinen Aufbau im Rahmen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik verstehen zu koennen, muss es mindestens aus 5 Quarks aufgebaut sein. Das leichteste Teilchen aus 5 Quarks bezeichnet man als Θ+ (gesprochen Theta+), welches im Quarkmodell aus zwei up- und zwei-down Quarks sowie einem Antistrange-Quark besteht. Aufgrund dieser Eigenschaft spricht man auch von einem exotischen Baryon.
Die Entdeckung eines solchen metastabilen Zustandes aus 5 Quarks stellt eine wichtige Entdeckung in der Physik der subatomaren, stark wechselwirkenden Teilchen (der sog. Hadronen) dar, in der bisher bisher lediglich Baryonen bestehend aus 3 Quarks und Mesonen bestehend aus 2 Quarks bekannt waren. Zwar stellen Atomkerne ebenfalls stabile Quarkgebilde dar. Allerdings bestehen diese stets aus einem Vielfachen von 3 Quarks, da sie sehr gut als Bindungszustände von Protonen und Neutronen beschrieben werden können, die ihrerseits Baryonen bestehend aus 3 Quarks sind.
Die Existenz von Pentaquarks wurde ursprünglich in einer Publikation (erhaeltlich im WWW unter [1]) 1997 von D. Diakonov, V. Petrov und M. Polyakov vorhergesagt, 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 wuerde. Die Masse sollte 1530 MeV betragen.
Der tatsächliche experimentelle Nachweis des Θ+ wurde im Juli 2003 von Takashi Nakano an der Universitaet 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 ueber 100 mal länger leben als andere Teilchen mit vergleichbarer Masse.
Insgesamt ist es bis heute ungeklärt, wieso einige Gruppen das Teilchen nachweisen, andere jedoch ein negatives Resultat finden. Die CLAS Kollaboration 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 unter [2].
Es ist interessant, noch darauf hinzuweisen, dass die meisten der Experimente, die keine Pentaquarks nachweisen konnten, alle Hochenergie-Experimente waren. In dieser Situation ist bekannt, dass bestimmte Mechanismen unterdrückt sind, die bei niedrigeren Energien durchaus fuer die Produktion von Pentaquarks verantwortlich sein könnten. Daher können die bisherigen Experimente die Existenz von Pentaquarks nicht schlüssig ausschliessen.
Theoretische Nachweise von Pentaquarks wären prinzipiell ebenfalls mit Hilfe von Computersimulationen der Quantenchromodynamik möglich, so genannten Gittereichtheorien. Allerdings 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.
Weblinks
- Existenzangst beim Pentaquark auf wissenschaft.de
- hep-ex/0412048: An Experimental Review of the Θ+ Pentaquark
- hep-ph/0401115: Prospects for Pentaquark Production at Meson Factories
- hep-ph/0404019: An Attempt to Study Pentaquark Baryons in String Theory