Physiker entdeckten ein seltenes „X“-Teilchen aus den Anfängen des Universums

Forscher am Large Hadron Collider des CERN in der Schweiz haben kürzlich  ein verschwindend seltenes Teilchen entdeckt, von dem sie glauben, dass es ganz am Anfang des Universums war. Das Teilchen – vorerst X-Teilchen genannt, weil niemand genau weiß, was es ist – wurde durch die Kollision von Milliarden schwerer Ionen im berühmten Teilchenbeschleuniger erzeugt.

Das Team der CMS Collaboration, das Daten vom Compact Muon Solenoid des LHC sammelt, zertrümmerte schwere Bleiatome bei Temperaturen von etwa 5,5 Billionen Grad Celsius (9,9 Billionen Grad Fahrenheit). Die Ergebnisse des Teams werden in Physical Review Letters veröffentlicht .

Physiker vermuten, dass Materie in den frühesten Momenten des Universums nach dem Urknall ein Plasma aus subatomaren Quarks und Gluonen war, die in einer überhitzten Suppe zusammengepfercht waren. (Erst als das Plasma einige Mikrosekunden nach dem Urknall abkühlte, nahmen die bekannten Protonen und Neutronen Gestalt an und ebneten den Weg für viel massivere Formen der Materie.) Aber bevor das Material abkühlte, kollidierten einige dieser Quarks und Gluonen und bildeten sich rätselhaftere Teilchen, die Physiker X-Teilchen nennen.

X-Teilchen sind heute selten, weil das Universum nicht mehr so ​​dicht oder so heiß ist, aber wie Krishna Rajagopal, ein Teilchenphysiker am MIT, der nichts mit der jüngsten Forschung zu tun hat , 2010 sagte : „Wenn Sie an den Eigenschaften der X-Teilchen interessiert sind Mikrosekunden altes Universum, der beste Weg, es zu untersuchen, ist nicht der Bau eines Teleskops, sondern der Bau eines Beschleunigers.“

Das Team konnte 100 X-Partikel einer bestimmten Masse namens X(3872) identifizieren, die etwa eine Sextillionstel Sekunde überlebten, bevor sie zerfielen. X(3872) wurde erstmals 2003 von der Belle Collaboration durch Bump Hunting gefunden, bei dem Forscher eine unerwartete Menge an Masse oder Energie in ihrem System identifizieren.

„Das X(3872) ist ein seltsames Tier“, sagte Patrick Koppenbu rg , Physiker am Dutch National Institute for Subatomic Physics und Mitglied des LHCb-Teams am CERN, in einer E-Mail an Gizmodo. „Ich war bei Belle, als es entdeckt wurde, und ich erinnere mich, dass wir auf die kleine Beule starrten, ohne zu verstehen, was los war.“

Letztes Jahr entdeckte das Team von Koppenbu rg am LHCb eine neue Art von Tetraquark. Wie X(3872) hatte dieses Tetraquark eine flüchtige Lebensdauer – wahrscheinlich etwas mehr als eine Quintillionstel Sekunde. Obwohl andere exotische Teilchen am LHC auftauchen und verschwinden, ist X(3872) das erste X-Teilchen, das in dem dort erzeugten Quark-Gluon-Plasma entdeckt wurde.

Das Team hinter der neuen Studie konnte die Bedingungen des frühen Universums nachahmen, indem es 13 Milliarden Ionen beschleunigte. Als die Teilchen kollidierten, erzeugten sie Tausende von kurzlebigen geladenen Teilchen. Yen-Jie Lee, Physiker am MIT und Co-Autor der neuen Forschung, sagte gegenüber Gizmodo, dass es möglich sei, dass andere X-Partikel in den jüngsten Daten enthalten seien, aber die Forscher keine gute Möglichkeit hätten, sie aus den herauszufiltern Hintergrundgeräusche.

„Das erste Heavy-Ion in ‚Lauf 3' startet Ende dieses Jahres, und wir hoffen, mit den Blei-Blei-Kollisionsläufen in Lauf 3 und Lauf 4 mehr Daten sammeln zu können“, schrieb Lee in einer E-Mail. „Mit einem viel größeren Datensatz werden wir in der Lage sein, das Ausmaß der Verstärkung der X-Produktion in der Quarksuppe zu bestimmen und mehr Einblicke in ihre interne Struktur zu gewinnen.“

Die Identität von X(3872) ist noch ungewiss. Das Team glaubt, dass das Teilchen eine Art lose gebundenes mesonisches Molekül sein könnte (zwei subatomare Teilchen, sogenannte Mesonen, die durch die starke Kraft gebunden sind) oder ein Tetraquark, eine Art Hadron, das aus vier zusammengeballten Quarks besteht. „Bisher wurden die mesonischen Moleküle noch nicht definitiv beobachtet, und X(3872) ist ein guter Kandidat“, sagte Jing Wang, ein Physiker am MIT, der die Analyse der neuen Daten leitete, in einer E-Mail an Gizmodo. „Wenn sich X(3872) als mesonisches Molekül herausstellt, zeigen wir, dass es im frühen Universum neben den gewöhnlichen Hadronen noch andere Arten von mesonischen Molekülen geben muss.“

„Je mehr ich mir die Daten anschaue, desto mehr bin ich davon überzeugt, dass das X eine Überlagerung eines Moleküls und eines Charmonium-Zustands ist“, sagte Koppenbu rg . Er beschrieb die Idee der Superposition weiter und bemerkte: „Unser Gehirn kann diese Dinge nicht darstellen. ... In der Quantenmechanik gibt es weder das eine noch das andere. Wenn du zwei Dinge nicht auseinanderhalten kannst, dann muss die Wahrheit beides gleichzeitig sein.“

Vielleicht werden die bevorstehenden Läufe des LHC endlich die Identität von X(3872) aufklären. Dann hätte es natürlich einen richtigen Namen und wird nicht mehr als X-Partikel betrachtet.

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