Pentaquarks
(von
altgriechisch
π?ντε
pente
?funf“), ein Begriff der
Teilchenphysik
, sind exotische
Baryonen
aus funf
Quarks
und mit einer
Baryonenzahl
von +1 bzw. -1.
Pentaquarks werden, wie alle aus Quarks aufgebauten Gebilde, von der
starken Kernkraft
zusammengehalten. Wie alle Hadronen sind sie
farbneutral
. Sie setzen sich zusammen aus vier Quarks und einem Antiquark (Baryonenzahl insgesamt +1) oder vier Antiquarks und einem Quark (Baryonenzahl insgesamt ?1). Außerdem ist ihr
Spin
halbzahlig, daher sind sie
Fermionen
.
In ihren physikalischen Eigenschaften sind Pentaquarks anderen
Baryonen
wie dem
Proton
und
Neutron
ahnlicher als den
Mesonen
, die ebenfalls sowohl Quarks als auch Antiquarks enthalten, aber
Bosonen
sind.
Pentaquarks werden nach Vorgaben der
Particle Data Group
mit dem Großbuchstaben P bezeichnet, mit Ladung als oberem Index, Flavour als unterem, gefolgt von der Masse (in MeV/c
2
) in Klammern sowie Spin und
Paritat
, also gemaß dem Schema
.
[1]
Allerdings ist es auch ublich, die Ladung als Index hinter die Masse zu schreiben.
Die Existenz von Teilchen mit funf Quarks war bereits 1964 von
Murray Gell-Mann
vorhergesagt worden.
[2]
1987 wurden sie von Harry J. Lipkin ?Pentaquarks“ genannt.
[3]
1997 machten
Dmitri Diakonov
, V. A. Petrov und
Maxim Polyakov
eine ? von anderen Teilchenphysikern skeptisch aufgenommene ? konkrete Vorhersage
[4]
eines Teilchens mit einer ungewohnlich hohen
Lebensdauer
, die zu einer sehr kleinen und daher deutlich zu beobachtenden
totalen Zerfallsbreite
von lediglich 30
MeV
fuhren wurde. Die Masse sollte 1530 MeV betragen.
Unter Anwendung von
Gittereichtheorien
der
Quantenchromodynamik
sind mithilfe von Computersimulationen weitere Vorhersagen uber Eigenschaften der Pentaquarks versucht worden. Allerdings sind diese theoretischen Ansatze noch nicht sehr fortgeschritten, und verschiedene Forschungsgruppen kamen zu widerspruchlichen Ergebnissen.
Die erste experimentelle Beobachtung des Θ
+
wurde im Juli 2003 von Takashi Nakano von der
Universitat Osaka
(
Japan
) gemeldet und von Ken Hicks am
Jefferson Laboratory
,
Virginia
,
USA
, bestatigt. Diese uberraschende Entdeckung fuhrte zu einer Welle von Untersuchungen bereits existierender Daten nach Anzeichen fur das Pentaquark. Innerhalb von wenigen Monaten meldeten etwa ein Dutzend verschiedene Gruppen, ebenfalls Evidenz fur das Θ
+
entdeckt zu haben. Einige Gruppen behaupteten sogar, weitere Pentaquarks nachweisen zu konnen.
Allerdings tauchten auch Zweifel sowohl theoretischer als auch experimenteller Natur an den Ergebnissen auf. Etwa ein Dutzend andere experimentelle Gruppen haben keinerlei Hinweise auf die Existenz des Θ
+
gefunden. Außerdem fanden die Experimente unterschiedliche Massen, die teilweise nicht miteinander kompatibel waren. Besonders uberraschend war die geringe
Zerfallsbreite
, die noch deutlich unter dem vorhergesagten Wert von Diakonov, Petrov und Polyakov lag. Das Pentaquark wurde damit uber 100 Mal langer leben als andere Teilchen mit vergleichbarer Masse.
Die
CLAS Collaboration
am
Jefferson Laboratory
in Newport News, Virginia, USA, unter der Leitung von Raffaella de Vita hat schließlich ein gezieltes Experiment zur Untersuchung der Pentaquark-Hypothese unternommen. In dieser bis dahin 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.
[5]
Auch die Particle Data Group kommt 2006 und zuletzt 2008
[6]
zu der Schlussfolgerung, dass die ersten Meldungen einer Entdeckung 2003/2004 (damals durch mindestens 9 Gruppen in der Nachfolge der Erstentdecker) durch die Mehrzahl der nachfolgenden Experimente, die eine erheblich hohere Statistik aufwiesen, widerlegt waren.
2007 fanden Wissenschaftler der Kollaboration GRAAL beim Beschuss eines Nukleons mit Photonen Hinweise auf einen sehr schmalen Zustand (eine Baryonenresonanz) mit einer relativ hohen Lebensdauer (etwa zehnmal hoher als typische Baryonenresonanzen). Er wurde N*(1685) (N-Star) getauft. Die Eigenschaften (Masse, Zerfallsbreite) decken sich mit den theoretischen Vorhersagen fur ein Mitglied mit nicht-exotischen Quantenzahlen des minimal moglichen Dekupletts, das das hypothetische Pentaquark umfasst ? Voraussagen, die Maxim Polyakov und andere bereits 2004 trafen.
[7]
Das Experiment, bei dem das N* entdeckt wurde, wurde durch Wissenschaftler am ELSA in Bonn bestatigt.
[8]
2013 gab die DIANA-Kollaboration in Moskau bekannt, dass sie Pentaquarks beobachtet habe.
[9]
Am 13. Juli 2015 berichteten Forscher am
LHCb
-
Detektor
des
Large Hadron Collider
von
CERN
in
Genf
von der Entdeckung zweier Pentaquarks-
Charmonium
-Zustande (Pentaquarks mit Beteiligung von
Charm
- und
Anti
-Charm-Quarks) beim Zerfall des
Lambda-b
-
Baryons
in das
Kaon
und das Pentaquark (uudc
c
).
[10]
Die beiden Beobachtungen wiesen jeweils eine
statistische Signifikanz
von mehr als 9
σ
auf, welche die in der
Teilchenphysik
ubliche Schwelle von 5 σ fur eine Entdeckung deutlich ubersteigen.
Die beiden beobachteten Pentaquark-Charmonium-Zustande P
c
(4380)
+
und P
c
(4450)
+
bestehen aus zwei
Up-Quarks
, einem
Down-Quark
, einem Charm-Quark und einem Anti-Charm-Quark. Der genaue Bindungsmechanismus der funf Quarks ist noch unklar: entweder handelt es sich um ein festes Gebilde aus funf eng beieinander liegenden Quarks oder um eine Art lockeres Gebilde aus drei und zwei eng beieinander liegenden Quarks.
[10]
[2]
[11]
[12]
Im Marz 2019 wurde die Entdeckung weiterer Pentaquarks am LHCb bekannt gegeben. Das neu entdeckte P
c
(4312)
+
zerfallt demnach in ein
J/ψ
und ein Proton. Die gemessenen Daten des ursprunglich entdeckten P
c
(4450)
+
werden nunmehr als Uberlagerung zweier einzelnen Pentaquarks, P
c
(4440)
+
und P
c
(4457)
+
betrachtet.
[13]
- ↑
Particle Data Groupm, R.L. Workman et al. (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022),
8. Naming Scheme for Hadrons
, 8.5 Exotic baryons
- ↑
a
b
Observation of particles composed of five quarks, pentaquark-charmonium states, seen in
decays.
14. Juli 2015,
abgerufen am 14. Juli 2015
(englisch).
- ↑
H. J. Lipkin:
New possibilities for exotic hadrons ? anticharmed strange baryons
. In:
Physics Letters B
. Vol. 195,
Nr.
3
, 1987,
S.
484?488
,
doi
:
10.1016/0370-2693(87)90055-4
,
bibcode
:
1987PhLB..195..484L
(englisch).
- ↑
arxiv
:
hep-ph/9703373
- ↑
Mark Peplow:
Doubt is cast on pentaquarks.
In:
news@nature.
2005, S. ,
doi:10.1038/news050418-1
.
- ↑
Update der PDG zu Pentaquarks 2008
(PDF)
- ↑
Polyakov und andere, Preprint 2004,
arxiv
:
nucl-th/0312126
; unabhangig davon Diakonov und andere 2004.
- ↑
V. Kuznetsov, M. V. Polyakov:
New narrow nucleon N*(1685).
In:
JETP Letters.
Springer, 2008.
arxiv
:
0807.3217
- ↑
DIANA Kollaboration:
Observation of a narrow baryon resonance with positive strangeness formed in K
+
Xe collisions
. 5. Juli 2013,
arxiv
:
1307.1653
(englisch).
- ↑
a
b
Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in
decays
. In:
Phys. Rev. Lett.
Band
115
, 13. Juli 2015,
S.
072001
,
arxiv
:
1507.03414
(englisch).
- ↑
Ian Sample:
Large Hadron Collider scientists discover new particles: pentaquarks.
The Guardian, 14. Juli 2015,
abgerufen am 14. Juli 2015
(englisch).
- ↑
CERN’s LHCb experiment reports observation of exotic pentaquark particles, CERN 14. Juli 2015
- ↑
LHCb: Observation of new pentaquarks, 26. Marz 2019