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GSI
Im 216 Meter langen Schwerionen-Synchrotron SIS werden Ionenstrahlen in einigen hunderttausend Umläufen auf über 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.
Copyright: GSI
HADES Collaboration
Das Detektorsystem HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) besteht aus mehreren Komponenten, die nur im Zusammenspiel die Produkte einer Teilchenkollision identifizieren können.
Copyright: HADES Collaboration
Michael Schönitzer / Wikipedia
Diese Übersicht zeigt die fundamentalen Bausteine der Materie (rechts): Austauschteilchen (Bosonen), Quarks und Leptonen wie das Elektron. Aus den Quarks sind die Hadronen aufgebaut (links), zwei Quarks ergeben ein Meson, drei bilden Baryonen, wie Proton, Neutron, oder das doppelt-seltsame Xi.
Copyright: Michael Schönitzer / Wikipedia

Doppelt-Seltsames im Hades

Seit fast einem halben Jahrhundert leistet das Standardmodell der Elementarteilchenphysik hervorragende Dienste. Doch ab und zu wartet es mit Überraschungen wie dieser auf: Am Forschungszentrum GSI in Darmstadt wies ein internationales Team von Wissenschaftlern seltsame Teilchen nach, die es in dieser Menge eigentlich nicht geben sollte.
1947 tauchten in Nebelkammeraufnahmen Kosmischer Strahlung erstmals Teilchen auf, deren Verhalten die Physiker  nicht erklären konnten - sie verhielten sich seltsam. In den 1960er Jahren konnte Murray Gell-Mann Ordnung in den Partikel-Zoo bringen: Er postulierte, dass Proton, Neutron, Mesonen und alle schwereren Varianten aus zwei oder drei fundamentaleren Bausteinen aufgebaut sind: Quarks. Die Materie, die uns im täglichen Leben begegnet, enthält die leichtesten Quarks - "up" und "down". Bei den seltsamen Teilchen dagegen ist ein "down" gegen ein "strange", ein seltsames Quark ersetzt. Es ist das leichteste von insgesamt vier weiteren Quarks, die alle nur unter extremen Bedingungen zu Tage treten. Um sie zu erzeugen, ist nach Einsteins Formel E = mc2 ein ungeheures Maß an Energie nötig, das entweder von bizarren Objekten im Kosmos aufgebracht wird, oder von Forschern mit ihren Beschleunigeranlagen.

Im Fall des GSI-Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt wurden Atomkerne des Edelgases Argon auf 94 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Die Reaktionsprodukte dieser Stöße zeichnete das Detektorsystem HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) auf, das im Rahmen einer internationalen Kooperation unter Beteiligung des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf (FZD), den Universitäten Frankfurt und Gießen, sowie der TU München entwickelt wurde. Bei rund 700 Millionen Kollisionen am Teilchenbeschleuniger SIS, dem Schwerionen-Synchrotron, bildeten sich insgesamt 140 Xi-Teilchen (nach dem griechischen Buchstaben Ξ), die gleich zwei Strange-Quarks enthalten, sie sind also gleich "doppelt seltsam". 140 Nachweise klingt wenig, ist aber eine ganze Größenordnung mehr, als die Wissenschaftler erwarteten!

Rossendorfer Physiker ermittelten nun, dass die Entstehung der aufgespürten Xi-Teilchen gleich in zweifacher Hinsicht von den theoretischen Vorhersagen abweicht: So bilden sie sich schon bei vergleichsweise geringen Energien, bei denen mehrere Kernbausteine des Argons ihre Bewegungsenergie kooperativ bündeln müssen, um derart massereiche Produkte erzeugen zu können. Dabei entstehen auf Grund noch ungeklärter Mechanismen mehr von den seltenen Xi-Teilchen, als bisherige theoretische Modelle erwarten lassen. Gerade bei Stößen von schweren Ionen bei geringen Energien stimmen die theoretischen Vorhersagen über die Xi-Erzeugung am wenigsten mit den Resultaten der Messungen überein. Deshalb seien unbedingt weitere Experimente und theoretische Untersuchungen zur Bildung seltsamer Teilchen in Schwerionen-Kollisionen anzustellen.

Denn eine genaue quantitative Kenntnis der Vorgänge ist nicht nur für die Teilchenphysiker selbst enorm wichtig, sondern beispielsweise auch für die Kosmologen und Astronomen: Bedingungen, bei denen seltsame Partikel wie das Xi beteiligt sind, herrschten kurz nach dem Urknall und entsprechen der frühen Evolutionsphase der Materie, die letztendlich in die Bildung der chemischen Elemente mündete. Seltene seltsame Teilchen sind sensible Indikatoren für diesen Vorgang. Und auch im heutigen Universum gibt es Orte, wo sich solche Exoten tummeln: Astrophysiker erwarten im Innern einiger Neutronensterne, die neben den Schwarzen Löchern die dichtesten Massekonzentrationen im Universum darstellen, einen Kern aus Quarkmaterie.

Quelle: Agakishiev, G. et al. (HADES Collaboration): Deep Subthreshold Xi-Production in Ar+KCl Reactions at 1.76A GeV. In: Phys. Rev. Lett. 103, 132301, 2009.

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