Jahrzehntelang haben Physiker akribisch ihre ständig wachsende Sammlung subatomarer Teilchen geordnet, nur um festzustellen, dass einige Neuankömmlinge sich weigern, ordentlich in die vorgesehenen Schubladen zu passen. Forscher am Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums haben nun Hinweise auf zwei unerwartete Strukturen gefunden, die helfen könnten, das Chaos zu sortieren.

Die Signale könnten Licht auf XYZ-Zustände werfen – eine rätselhafte Gruppe von Objekten, die nicht in das konventionelle Bild von Teilchen aus Quarks, den fundamentalen Bausteinen der Materie, passen. Zum ersten Mal entdeckten Forscher des Jefferson Lab zwei solcher Signale, als ein Strahl hochenergetischer Photonen auf ein Protonenziel traf.

Die Ergebnisse stammen von der Gluonic Excitations (GlueX) Collaboration in Experimental Hall D am Jefferson Lab und wurden kürzlich in Physical Review Letters veröffentlicht. Die Ergebnisse könnten Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie eine der fundamentalen Kräfte der Natur zur Bildung von Materie beiträgt.

„Wir suchten nach einem bestätigten XYZ-Kandidaten mit einem Photonenstrahl, fanden aber stattdessen zwei andere Strukturen“, sagte Malte Albrecht, Wissenschaftler am Jefferson Lab. „Das sind neue Informationen.“ Übersetzung: Sie zielten auf ein exotisches Teilchen und entdeckten versehentlich zwei weitere – entweder ein großer Gewinn oder ein kosmischer Scherz.

Seit den 1950er Jahren haben Hochenergie-Kollisionsexperimente einen regelrechten Zoo subatomarer Teilchen namens Hadronen ausgegraben, die zusammengesetzte Teilchen aus zwei oder mehr Quarks sind, die durch die starke Kernkraft zusammengehalten werden. Bekannte Beispiele sind Protonen und Neutronen, die jeweils drei Quarks enthalten (obwohl diese schon lange bekannt waren). Unter den Neuankömmlingen waren kurzlebige Teilchen namens Mesonen, typischerweise ein Quark gepaart mit seinem Antimaterie-Gegenstück, dem Antiquark.

1964 führten Physiker das Quarkmodell ein, um Ordnung in diese gebundenen Zustände zu bringen. Die früheste Version hatte drei Quark-„Geschmacksrichtungen“: up, down und strange. Up- und Down-Quarks bilden zum Beispiel Protonen und Neutronen; Up, Down und Strange sind die drei leichtesten Quarktypen. Dann, 1974, tauchte das schwerere Charm-Quark auf und warf einen Schraubenschlüssel in die Werke – half aber auch, das Gerüst zu bauen, das zum Standardmodell wurde, der umfassenden Theorie, die Elementarteilchen und fundamentale Kräfte beschreibt, während es das bekannte Spektrum hadronischer Strukturen erweiterte.

Als Beschleuniger leistungsfähiger und Detektoren empfindlicher wurden, begannen Forscher, subtilere Prozesse zu sehen. Nach 2000 zeigten Experimente Hadronen mit Quanteneigenschaften, die nicht in das ursprüngliche Quarkmodell passten. Die Entdeckungen häuften sich so schnell, dass Physiker viele dieser schlecht verstandenen Teilchen als XYZ-Zustände bezeichneten.

„Wir sind hier in einer neuen Ära, ähnlich wie vor über 70 Jahren“, sagte Frank Nerling, ein Mitarbeiter des Jefferson Lab vom GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung in Deutschland und der Goethe-Universität Frankfurt. „Zuerst wurde ein Zoo von Hadronen entdeckt. Jetzt stehen wir vor einem Zoo sogenannter exotischer Zustände.“

Hadronen, die ein Charm-Quark und sein Anticharm-Partner enthalten, bewohnen eine Massenregion namens Charmonium; Teilchen mit Strange- und Anti-Strange-Quarks bevölkern Strangeonium. Viele XYZ-Zustände wurden in diesen Sektoren gesichtet. 2006 berichteten Forscher des BaBar-Experiments am SLAC National Accelerator Laboratory des DOE über einen möglichen Strangeonium-Zustand mit einer Masse von etwa 2,16 Milliarden Elektronenvolt (2,16 GeV) und bezeichneten ihn als Y(2175). BaBar erzeugte Y(2175) durch Kollision von Elektronen und Positronen (e+e−-Annihilation). Y(2175) zeigte Quantenverhalten, das schwer als einfaches Quark-Antiquark-Paar zu erklären ist – es könnte ein Hybridzustand sein, der zwei Strange-Quarks und angeregte Gluonen (die Träger der starken Kraft) beinhaltet, ein Vier-Quark-Tetraquark oder eine molekülartige Kombination anderer zusammengesetzter Teilchen.

Spätere Elektron-Positron-Kollisionsexperimente (BES in China, Belle in Japan) bestätigten Y(2175), aber bis jetzt war es nicht über einen anderen Prozess als e+e−-Annihilation gesehen worden. „Die Herausforderung ist, dass man viele Me