Pentaquark

Das Pentaquark (von griech. penta, dt. fünf), ein Begriff der Teilchenphysik, ist ein hypothetisches Hadron mit einer Baryonenzahl von +1. Es gehört zu den sog. exotischen Hadronen wie die Tetraquarks.

Um den Aufbau des Pentaquark im Rahmen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik verstehen zu können, muss es mindestens aus fünf Quarks gebildet sein, genauer aus vier Quarks und einem Antiquark.

Im Sprachgebrauch wird mit Pentaquark oft das leichteste dieser Teilchen bezeichnet, welches eine Strangeness von +1 besitzt und den Eigennamen Θ⁺ (gesprochen Theta+) trägt. Da sich eine Strangeness von +1 nur durch ein Antistrange-Quark realisieren lässt, sind für eine Baryonenzahl von +1 mindestens 4 weitere Quarks nötig. So besteht das Θ⁺ nach dem Quarkmodell aus zwei up- und zwei down-Quarks sowie einem Antistrange-Quark (uudds). Eine solche Konfiguration ist im Rahmen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik zwar "erlaubt" (d. h. denkbar) und wird durch die Quantenchromodynamik beschrieben, wurde jedoch noch nicht beobachtet. Deswegen spricht man auch von einem exotischen Baryon, im Gegensatz zu den konventionellen Baryonen wie dem Proton oder dem Neutron.

Existenzkontroverse

Der experimentelle Nachweis der Existenz des Pentaquarks ist Gegenstand intensiver Forschung und Debatten. Sowohl theoretische Vorhersagen als auch experimentelle Untersuchungen liefern uneinheitliche Ergebnisse:

Theorie

Die Pentaquarks sind hypothetische Hadronen; bisher sind nur Baryonen, bestehend aus drei Quarks, und Mesonen, bestehend aus zwei Quarks, nachgewiesen. Zwar stellen Atomkerne ebenfalls stabile Quarkgebilde dar, aber sie bestehen stets aus einem Vielfachen von drei Quarks, denn sie können sehr gut als Bindungszustände von Protonen und Neutronen beschrieben werden, die ihrerseits Baryonen bestehend aus je drei Quarks sind.

Die Existenz von Pentaquarks wurde ursprünglich in einer Publikation 1997 von Dmitri Diakonov, V. A. Petrov und Maxim Polyakov vorhergesagt^[1]. Allerdings wurde dies von ihren Kollegen sehr skeptisch beurteilt. Vorhergesagt wurde ein Teilchen mit einer ungewöhnlich hohen Lebensdauer, die zu einer sehr kleinen und daher deutlich zu beobachtenden totalen Zerfallsbreite von lediglich 30 MeV führen würde. Die Masse sollte 1530 MeV betragen.

Zusätzliche theoretische Vorhersagen von Eigenschaften der Pentaquarks wären prinzipiell mit Hilfe von Computersimulationen der Quantenchromodynamik möglich, so genannten Gittereichtheorien. Allerdings sind diese theoretischen Ansätze noch nicht sehr fortgeschritten, deshalb haben verschiedene Gruppen bisher widersprüchliche Resultate vorweisen können.

Experiment

Die erste experimentelle Beobachtung des Θ⁺ wurde im Juli 2003 von Takashi Nakano an der Universität 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 Anzeichen 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 über 100 mal länger 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 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^[2]. Auch die Particle Data Group kommt 2006 und zuletzt 2008^[3] zu der Schlussfolgerung, dass die ersten Meldungen einer Entdeckung 2003/4 (damals durch mindestens 9 Gruppen in der Nachfolge der Erstentdecker) durch die Mehrzahl der nachfolgenden Experimente, die eine erheblich höhere Statistik aufwiesen, widerlegt waren.

2007 haben Wissenschaftler der Kollaboration GRAAL beim Beschuss eines Nukleons mit Photonen Hinweise auf einen sehr schmalen Zustand (eine Baryonenresonanz) mit einer relativ hohen Lebensdauer gefunden (etwa zehnmal höher als typische Baryonenresonanzen). Es wurde N*(1685) (N-Star) getauft. Die Eigenschaften (Masse, Zerfallsbreite) decken sich mit den theoretischen Vorhersagen für ein Mitglied mit nicht-exotischen Quantenzahlen des minimal möglichen Dekupletts, das das hypothetische Pentaquark umfasst - Voraussagen, die Maxim Polyakov und andere bereits 2004 trafen^[4]. Das Experiment, bei dem das N* entdeckt wurde, wurde durch Wissenschaftler am ELSA in Bonn bestätigt. ^{[5] [6]}

Quellen

1. ↑ arXiv:hep-ph/9703373
2. ↑ http://www.nature.com/news/2005/050418/full/050418-1.html
3. ↑ Update der PDG zu Pentaquarks 2008, pdf Datei
4. ↑ Polyakov und andere, Preprint 2004, unabhängig davon Diakonov und andere 2004
5. ↑ V Kuznetsov, MV Polyakov; New narrow nucleon N*(1685); JETP Letters 2008; Springer, Kuznetzov, Polyakov Preprint 2008
6. ↑ Meldung über Entdeckung des N*, 2009, Internet-Chemie

Weblinks

• Existenzangst beim Pentaquark auf wissenschaft.de 2005
• Danilov, Mizuk „Experimental Review on Pentaquarks“, Juli 2007, pdf Datei
• Kandice Carter „The rise and fall of the pentquark“, Symmetry Magazine, September 2006