X(3872): Ein geheimnisvolles Teilchen aus der Frühzeit des Universums

Ganz am Anfang des Universums war es noch sehr, sehr heiß. Die Materie bestand damals nicht aus den Teilchen, die wir heute kennen, etwa Protonen oder Neutronen. Wenn es diesen (allgemein Hadronen genannten) Teilchen nämlich zu heiß wird, fangen sie gewissermaßen an zu kochen und zersetzen sich in ihre Bestandteile, wie Wasser zu Dampf wird. Dazu muss es mind 1,7 Billionen Kelvin heiß sein, die sog. Hagedorn-Temperatur. Die Teilchen, die dann in der Suppe, dem Plasma, schwimmen, sind einerseits Quarks, andererseits Gluonen. Die Gluonen sind normalerweise der Klebstoff, der die Quarks in den Hadronen zusammenhält. Im Quark-Gluonen-Plasma jedoch sind sie frei – wie auch die Quarks.

Wollen Forscher nun die sehr frühe Geschichte des Universums untersuchen, müssen sie herausfinden, wie sich die Quarks und Gluonen in ihrem Plasma verhalten. Das ist nicht so einfach, weil man eine Menge Energie braucht, um so ein Plasma herzustellen. Das versucht man z.B. in Teilchenbeschleunigern. Allerdings hat man dort dann ein anderes Problem: Es finden so viele Reaktionen statt, dass es schwierig ist, einzelne zu isolieren. Versuchen Sie doch mal, in der Sauna ein einzelnes Wasserdampfmolekül aus dem Dampf zu fangen! Etwas durchaus vergleichbares ist Physikern am Large Hadron Collider des CERN nun gelungen. Aus 13 Milliarden (1,3 * 109) Kollisionen, bei den jeweils über eine Billiarde (1015) kurzlebiger Teilchen entstanden, wiesen sie eine dreistellige Anzahl von Teilchen des Typs X(3872) nach. Zum Vergleich: ein Liter Luft enthält etwa 2,5*1019 Teilchen. Die Forscher bewältigten die Aufgabe mit einem Algorithmus aus dem Bereich des maschinellen Lernens, den sie auf die spezifischen Zerfallsmuster von X(3872) trainierten.

Aber warum dieser Aufwand für ein Teilchen, das bereits seit 2003 bekannt ist und das gleichzeitig extrem schnell zerfällt? An X(3872) fasziniert die Forscher vor allem seine unbekannte Natur, die das X-Zeichen symbolisiert (die 3872 ist die Masse in MeV/c2). Es passt nämlich nicht in das Bild, das sich die Forscher bisher von den Quarks und ihrem Verhalten machen. Zwei Möglichkeiten kommen für X(3872) in Betracht, die beide sehr spannend sind. Erstens könnte es sich um eine Art Molekül aus D0– and Anti-D0*-Mesonen handeln. Da diese Mesonen das sehr seltene Charm-Quark enthalten, nennen die Forscher das Molekül daraus “Charmonium”, so wie eine Verbindung von Elektron und Positron “Positronium” heißt. Dass aber Quarks untereinander im Quark-Gluonen-Plasma solcherlei Verbindungen eingehen, wäre ein unerwartetes Verhalten. Genauso unerwartet, aber nach aktuellem Wissensstand noch ein bisschen wahrscheinlicher ist es, dass wir hier ein sogenanntes Tetraquark vor uns haben. Aus der normalen Welt kennt man maximal Verbindungen von drei Quarks (Baryonen) oder von zwei Quarks (Mesonen). Die erste Bestätigung der Existenz von Tetraquarks ist erst 2016 am CERN erfolgt. Um die genauen Eigenschaften des X(3872) erforschen zu können, braucht man möglichst viele Exemplare davon. Dahin sind die Physiker nun auf einem guten Weg.

Interessant wäre nun bloß noch, ob sich auch der Klebstoff in der Quantensuppe manchmal verklumpt – ob es also auch Verbindungen der Gluonen untereinander gibt, die recht passend als Glueballs bezeichnet werden. Das wäre eine weitere Sensation, denn die Photonen (Lichtteilchen), die in der normalen, kalten Welt mit den Gluonen vergleichbar sind, besitzen diese Fähigkeit nicht. Im Jahr 2021 gab es – auch vom CERN – erste Hinweise auf einen aus drei Gluonen bestehenden Glueball, das “Odderon”. Eine Zwei-Gluonen-Verbindung würde “Pomeron” genannt.

Die zwei möglichen Strukturen von X(3872) (Bild: CERN)

One Pingback

Leave a Comment

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.

BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.