Die Experimente ATLAS und CMS am Large Hadron Collider haben unabhängig voneinander die Entstehung eines kurzlebigen, quasi‑gebundenen Zustands von Top‑ und Antitop‑Quark‑Paaren (Toponium) beobachtet. Die gemessenen Produktionsquerschnitte liegen bei etwa 9 pb mit einer statistischen Signifikanz von 7,7 σ (ATLAS) bzw. 5 σ (CMS), was die Existenz dieses Effekts belegt.
Ein ungewöhnlicher Zustand im Standardmodell
Der Top‑Quark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen und zerfällt in etwa 5·10⁻²⁵ s, bevor er ein gebundenes System bilden kann. Theoretische Berechnungen der Quantenchromodynamik (QCD) hatten jedoch vorhergesagt, dass ein Top‑Antitop‑Paar, das nahezu in Ruhe erzeugt wird, über den Austausch von Gluonen ein kurzlebiges, nicht‑relativistisches Bindungszustand erreichen kann.
Erste Beobachtung durch CMS
Im Jahr 2024 analysierte das CMS‑Team Daten aus den Jahren 2016‑2018 und ermittelte für das beobachtete Überschuss‑Signal einen Kreuzungsquerschnitt von 8,8 pb ± 1,3 pb. Diese Messung erreichte die fünf‑Sigma‑Schwelle, die in der Teilchenphysik als Nachweis einer Entdeckung gilt.
Bestätigung durch ATLAS
Die ATLAS‑Kollaboration wertete den vollständigen Run‑2‑Datensatz (2015‑2018) aus und fand einen nahezu identischen Kreuzungsquerschnitt von 9,0 pb ± 1,3 pb. Die Signifikanz des Effekts wurde mit 7,7 σ angegeben, wodurch das Ergebnis von CMS unabhängig bestätigt wurde.
Mögliche Erklärungen
Die Beobachtungen können durch die Bildung eines Toponium‑Zustands erklärt werden. Alternativ könnte ein bislang unbekanntes Teilchen mit einer Masse in der Nähe des Doppelten des Top‑Quark‑Gewichts erzeugt werden, das anschließend in ein Top‑Antitop‑Paar zerfällt. Eine abschließende Interpretation erfordert weiterführende QCD‑Berechnungen und Modellierungen.
Stimmen der Forschung
CMS‑Sprecher Gautier Hamel de Monchenault bezeichnete das Ergebnis als „großen Triumph für das LHC‑Programm“. ATLAS‑Sprecher Stéphane Willocq betonte, dass die Annahme, das Phänomen sei experimentell nicht messbar, nun widerlegt sei. CERN‑Direktor für Forschung und Computing Joachim Mnich verwies darauf, dass die Messungen zeigen, wie präzise Analysen am Hadron‑Collider bislang nicht für möglich gehaltene Effekte sichtbar machen können.
Bedeutung für das Standardmodell
Die Ergebnisse erweitern das Wissen über die nicht‑relativistische Regime der QCD und ergänzen die Geschichte der Quarkonium‑Systeme, zu denen bereits Charmonium (1974) und Bottomonium (1977) gehören.
Ausblick auf Run 3
Mit dem laufenden Run 3 des LHC, das deutlich mehr Daten liefert, planen ATLAS und CMS, die Top‑Antitop‑Interaktionen weiter zu untersuchen und die Eigenschaften von Toponium präziser zu bestimmen.
Dieser Bericht basiert auf Informationen von CERN, lizenziert unter Quelle beachten. Lizenzangabe konnte nicht eindeutig zugeordnet werden.