Das Proton ist ein Grundbaustein der Materie und besteht aus drei leichten Quarks – Elementarteilchen, die von der starken Kernkraft zusammengehalten werden. Jetzt haben Physiker einen „schweren Bruder“ des Protons nachgewiesen. Dieses kurzlebige Teilchen enthält wie das Proton ein Down-Quark, aber dazu zwei schwere Charm-Quarks. Dadurch ist das Ξcc⁺ (Xi‑cc‑plus) getaufte Teilchen viermal schwerer als ein normales Proton. Die Existenz dieses Teilchens wurde schon länger vorhergesagt, weil es jedoch innerhalb von Sekundenbruchteilen zerfällt, scheiterte ein eindeutiger Nachweis bisher. Jetzt ist es mithilfe des Teilchenbeschleunigers Large Hadron Collider (LHC) am Forschungszentrum CERN bei Genf erstmals gelungen. Das neu entdeckte Teilchen kann nun dabei helfen, grundlegende Theorien der Teilchenphysik zu überprüfen.
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.
Masse passt zu den Vorhersagen
Damit haben die Physiker der LHCb-Kollaboration endlich den lange gesuchten „schweren Bruder“ des Protons nachgewiesen. Mit sieben Sigma liegt die statistische Signifikanz ihres Nachweises deutlich über der Schwelle von fünf Sigma, die in der Teilchenphysik als Kriterium für eine Entdeckung gilt. „Dies ist erst das zweite Baryon mit zwei schweren Quarks, das nachgewiesen wurde – und das letzte liegt schon fast zehn Jahre zurück“, sagt LHCb-Sprecher Vincenzo Vagnoni. Das neue Teilchen unterscheidet sich nur durch ein Down- statt eines Up-Quarks von diesem Vorgänger und hat daher eine sehr ähnliche Masse. Trotz dieser Ähnlichkeit ist seine Lebensdauer aber weit kürzer. Wegen der leicht unterschiedlichen Quanten-Wechselwirkungen zerfällt die schwere Proton-Variante schon nach einem Sechstel der Zeit verglichen mit dem schweren Neutron-Analog.
Das neu entdeckte schwere Baryon kann nun dabei helfen, grundlegende Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik zu überprüfen. „Das neue Ergebnis wird Theoretikern helfen, Modelle der Quantenchromodynamik zu überprüfen – der Theorie, die die starke Kernkraft erklärt“, sagt Vagnoni. Diese Grundkraft verknüpft Quarks zu den stabilen Grundbausteinen der Materie, aber auch zu exotischeren Teilchen, beispielsweise den erst in den letzten Jahren entdeckten Teilchen aus vier, fünf oder sechs Quarks. Indem man erforscht, wie verschiedenen Quarks miteinander und mit der starken Kernkraft wechselwirken, lässt sich auch die Struktur solcher Teilchen besser verstehen.
Quelle: LHCb Collaboration, CERN, Konferenz Rencontres de Moriond, 2026
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