Exzellenzcluster „Quantum Universe“Plötzlich sichtbar: Neues Teilchen stellt alte Überzeugungen infrage

Foto: Julia Münstermann („Toponium, 2025, Cyanotypie“)

Künstlerische Darstellung einer Verbindung von einem Top-Quark und seinem Antiteilchen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Hamburg (UHH) und des Elektronen-Synchrotrons DESY, die gemeinsam im Exzellenzcluster „Quantum Universe“ der UHH arbeiten, haben in zwei Experimenten am Teilchenbeschleuniger „Large Hadron Collider“ (LHC) des CERN Signale gefunden, die auf ein extrem seltenes Teilchen namens Toponium – einen gebundenen Zustand aus einem Top-Quark und seinem Antiteilchen – hindeuten.

Bisherige Erwartungen wurden widerlegt

Das Top-Quark ist das schwerste aller bekannten Elementarteilchen. Es entsteht bei den Kollisionen im LHC, ist aber so massiv und so instabil, dass es typischerweise in weniger als einer Quadrillionstel Sekunde zerfällt. Bislang ging man davon aus, dass das Teilchen so schnell verschwindet, dass sich ein Verschmelzen mit seinem Antiteilchen zu einem gebundenen Zustand nicht nachweisen lässt. Die neuen Messergebnisse lassen an dieser Annahme zweifeln.

„Das ist einer dieser Momente, in denen die Natur unsere Erwartungen über den Haufen wirft, denn wir waren uns sicher, dass ein solches Teilchen nicht beobachtet werden kann – schon gar nicht unter Bedingungen, wie wir sie am LHC haben“, sagt Dr. Alexander Grohsjean. Er forscht an der Universität Hamburg im Rahmen des „Compact-Muon-Solenoid-Experiments“ (CMS). „Dieses Ergebnis könnte die Lehrbücher umschreiben“, ergänzt Prof. Dr. Christian Schwanenberger, Professor für Experimentalphysik an der Universität Hamburg und ebenfalls am CMS-Experiment beteiligt. „Es stellt Dinge infrage, die Generationen von Physikerinnen und Physikern für selbstverständlich hielten.“

Die Entdeckung wurde unabhängig voneinander in den Experimenten CMS und ATLAS gemacht. Sie konnten eine größere Menge an Top-Quarks und ihren Gegenparts mit ungewöhnlich niedriger Bewegungsenergie messen. In dieser speziellen Konstellation besteht genug Zeit, einander anzuziehen und kurzzeitig ein Teilchen wie Toponium zu bilden. Die ersten Hinweise darauf tauchten bereits 2016 im CMS-Experiment auf, mit weiteren Daten aus den Jahren 2017 und 2018, die das Signal stärkten. Nun hat ATLAS die Verbindung durch eigene Daten bestätigt. Die Ergebnisse wurden auf der Konferenz für Hochenergiephysik der Europäischen Physikalischen Gesellschaft vorgestellt und anschließend in einem Spezialkolloquium im Rahmen des Exzellenzclusters „Quantum Universe“ diskutiert.

Die seltensten und flüchtigsten Prozesse in der Natur werden messbar

„Es geht hier nicht nur darum, ein neues Teilchen zu entdecken“, sagt Laurids Jeppe, Doktorand an der Universität Hamburg und Teil des CMS-Teams am DESY. „Es zeigt, dass wir inzwischen eine Präzision erreicht haben, mit der selbst die seltensten und flüchtigsten Prozesse in der Natur messbar werden.“ Nun geht es darum, das Signal genauer zu untersuchen. „Derzeit sammelt der LHC wieder neue Daten – damit verdreifacht sich unser Datensatz“, erklärt Dr. Katharina Behr vom ATLAS-Experiment am DESY. „Damit können wir Toponium noch genauer erforschen.“

Toponium würde der Physik ein neues Werkzeug an die Hand geben, um die starke Wechselwirkung zu untersuchen – eine der vier fundamentalen Kräfte der Natur, die Quarks zu Protonen und Neutronen bindet. Gleichzeitig wirft es ein neues Licht auf das Verhalten des Top-Quarks selbst, das sich deutlich von dem seiner leichteren Verwandten unterscheidet. Warum das so ist und welche Modelle das beschreiben könnten, untersuchen nun theoretische Physikerinnen und Physiker an der Universität Hamburg und am DESY.