Protonen und Neutronen bestehen aus drei Quarks, die von der starken Kernkraft und ihren Trägerteilchen, den Gluonen, zusammengehalten werden. Im Proton sind dabei zwei Up-Quarks und ein Down-Quark miteinander kombiniert und bilden den stabilen Kernbaustein. Doch es gibt noch vier weitere Quark-Sorten – Charm- und Strange-Quarks sowie Top- und Bottom-Quarks. Im Prinzip können auch diese schwereren Quarks sich zu Zweier- oder Dreier-Kombinationen zusammenfinden – zu Mesonen oder Baryonen. Allerdings sind diese Teilchen nicht stabil und zerfallen sehr schnell wieder. Sie lassen sich daher nur anhand von Zerfallsmustern in Teilchenbeschleunigern nachweisen.
Schwere Baryon-Varianten gesucht
Schon in den 1970er Jahren sagten Physiker voraus, dass es Baryonen mit zwei Charm-Quarks und einem leichteren Up- oder Down-Quark geben müsste – gewissermaßen die schwereren Brüder der Protonen und Neutronen. Solche Teilchen gelten als besonders spannend, weil seine ungleichgewichtige Quark-Kombination neue Einblicke in die Wechselwirkungen der Elementarteilchen bietet. Doch erst 2017 gelang es Physikern am Forschungszentrum CERN bei Genf, eines dieser Teilchen nachzuweisen – ein positiv geladenes Teilchen mit zwei Charm-Quarks und einem Up-Quark und einer Masse von 3621 Megaelektronenvolt.. Es verriet sich durch einen signifikanten Überschuss bestimmter Zerfallsprodukte im LHCb-Detektor des Teilchenbeschleunigers LHC. Jetzt haben die Physiker der LHCb-Kollaboration auch die zweite Variante eines solchen Baryons mit zwei Charm-Quarks nachgewiesen: Das Ξcc⁺ – ein Teilchen aus zwei Charm-Quarks und einem Down-Quark.
Aufgespürt haben die Physiker das neue Teilchen bei der Kollision von bis auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Protonen im Teilchenbeschleuniger LHC. Dessen Detektoren waren im Jahr 2023 ausgebaut und auf höhere Sensitivität aufgerüstet worden. Für ihre Analysen werteten die Physiker die Daten aus dem ersten Jahr der 2024 gestarteten dritten Laufzeit des Beschleunigers aus. Sie analysierten dabei die Häufigkeit von bestimmten Zerfallsprodukten des theoretisch vorhergesagten Teilchens im LHCb-Detektor. Tatsächlich zeigte sich ein deutlicher „Buckel“ in der Kurve der Zerfallsprodukte – bei 915 Ereignissen trat ein Überschuss von Teilchen einer bestimmten Masse auf. Daraus ermittelten die Forschenden, dass das ursprüngliche, kurzlebige Baryon eine Masse von rund 3619,97 Megaelektronenvolt haben muss. Es ist damit rund viermal schwerer als ein Proton. „Das stimmt mit den Erwartungen für das Ξcc⁺ überein“, so das Team.
