Ein Teilchen, das vor fünfzehn Jahren in einem chinesischen Beschleuniger entdeckt wurde, könnte hauptsächlich aus Gluonen bestehen – den Teilchen, die Quarks in Protonen und Neutronen zusammenhalten. Die neuesten Messungen des BESIII-Experiments stärken diese Interpretation für X(2370), ein Objekt, dessen Natur bislang unklar war.
Normalerweise enthalten Teilchen, die durch die starke Kernkraft gebildet werden, Quarks. Gluonen sorgen für deren Bindung, ähnlich wie Klebstoff auf einer unendlich viel kleineren Skala als das Atom. Die Theorie sagt jedoch voraus, dass sich Gluonen auch ohne Valenzquarks miteinander verbinden können. Ein solches Gebilde wird als „Glueball“ bezeichnet, wörtlich als Gluonenball.
Ein klassischer Atomkern besteht aus Quarks (hier die kleinen farbigen Kugeln), die durch Gluonen (die weißen Verbindungen) in Dreiergruppen zusammengehalten werden. Jede solche Gruppe aus drei gebundenen Quarks bildet ein Proton oder ein Neutron.
Quelle: FIJ PAN
Das Prinzip wird seit Jahrzehnten vorhergesagt, doch einen Glueball in Experimenten zu erkennen, ist schwierig. Die in Beschleunigern erzeugten Teilchen verschwinden fast augenblicklich und werden anhand der Teilchen identifiziert, in die sie zerfallen. Außerdem können mehrere Kandidaten ähnliche Eigenschaften aufweisen.
BESIII untersucht ihn anhand der Zerfälle des J/ψ-Mesons, eines Teilchens, das am Elektron-Positron-Kollider in Peking in großer Zahl erzeugt wird. Das Experiment verfügt inzwischen über etwa 10 Milliarden J/ψ-Ereignisse. Diese Menge ermöglicht es, sehr seltene Umwandlungen zu untersuchen und die verschiedenen Möglichkeiten, wie X(2370) zerfallen kann, präzise miteinander zu vergleichen.
Ein neues Puzzleteil stammt ausgerechnet von einer Umwandlung, deren Nachweis die Physiker nach bestimmten Interpretationen von X(2370) erwartet hatten. Sie suchten nach einem Zerfall über ein Teilchen namens K*(892), fanden dafür jedoch keinerlei Belege. Dieses Fehlen liefert Informationen über die Zusammensetzung von X(2370).
Konkret zeigen die Daten, dass sich X(2370) wie ein Zustand verhält, der keine der drei leichten Quarkfamilien bevorzugt. Diese Eigenschaft fügt sich in mehrere andere bereits gemessene Hinweise ein: Seine Masse, seine Quanteneigenschaften, seine Erzeugung bei Zerfällen des J/ψ-Mesons und die Arten, wie es sich umwandelt, entsprechen den Erwartungen für den leichtesten Glueball dieser Kategorie.
Die Autoren sprechen von einem Glueball als dominierendem Bestandteil und nicht von einem Teilchen, das notwendigerweise aus reinen Gluonen besteht. Diese Unterscheidung ist wichtig, da sich durch die starke Wechselwirkung erzeugte Zustände miteinander vermischen können. Die Messungen müssen daher einen starken gluonischen Anteil von anderen möglichen Strukturen unterscheiden, die weiterhin Quarks enthalten.
Künftige Messungen können diese Interpretation anhand weiterer Zerfallskanäle überprüfen und den tatsächlich den Gluonen zuzuschreibenden Anteil genauer bestimmen. BESIII verfügt dafür über seine riesige J/ψ-Stichprobe, mit der sich noch seltenere Umwandlungen von X(2370) suchen und jede einzelne mit den Vorhersagen vergleichen lässt.