Forschung Pentaquarks: Quasi-molekulare oder kompakte Systeme?

31. März 2026

Nach dem 1964 formulierten Quark-Modell sind die stark wechselwirkenden Teilchen der Physik selbst aus noch elementareren Bausteinen aufgebaut. Diese Quarks gelten nach aktuellem wissenschaftlichem Stand als unteilbar. Unterschieden werden sechs verschiedene Sorten, sogenannte Flavors, mit unterschiedlichen Massen, die nie allein, sondern immer in Kombination auftreten. So sind Baryonen – dazu gehören insbesondere Protonen und Neutronen, die die Kerne aller Atome bilden – aus drei leichten Quarks aufgebaut. Die noch kurzlebigeren Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark. Sie gehören wie die Baryonen zu den Hadronen. Zusammengehalten werden die Quarks durch die starke Wechselwirkung.

Ebenfalls 1964 vorhergesagt wurden Multiquarksysteme wie Pentaquarks, die aus vier Quarks und einem Antiquark bestehen. Da sie nur eine extrem kurze Lebensdauer haben, können sie nicht direkt gemessen werden, sondern nur anhand ihrer Zerfallsprodukte. Ein indirekter Nachweis mehrerer Pentaquark-Resonanzen gelang erstmals im Jahr 2015 am Large Hadron Collider des europäischen Kernforschungszentrums CERN in Genf (Schweiz) im Rahmen des LHCb-Experiments, an dem auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Heidelberg maßgeblich beteiligt sind. Das in den aktuellen Berechnungen untersuchte Pentaquark-System der Konfiguration c\(\bar{c}\)uds – die Buchstaben beschreiben die Sorte der Quarks – wurde 2023 am CERN erstmals experimentell nachgewiesen.

Nicht vollständig geklärt ist nach den Worten von Prof. Wolschin bislang, welche mikroskopische Konfiguration diese exotischen Systeme aus fünf Quarks aufweisen. Handelt es sich bei Pentaquarks um eng gepackte Materiezustände, die durch die starke Wechselwirkung aneinandergebunden sind? Oder sind es Gebilde, die aus mehreren Teilchen wie einem Meson und einem Baryon bestehen und in ähnlicher Weise zusammengehalten werden wie die Protonen und Neutronen in Atomkernen oder die Atome in Molekülen? Dieser Frage ist Georg Wolschin in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen aus Japan am Beispiel des c\(\bar{c}\)uds-Systems nachgegangen.

Ihre Berechnungen basieren aufgrund der großen Massen einiger der hier untersuchten Quarks auf einem nichtrelativistischen Modell, in dem die quantenmechanische Schrödingergleichung für fünf Teilchen mit einer speziell für drei-, vier- und fünf-Teilchensysteme entwickelten Methode gelöst wird. Sie berücksichtigen dabei auch sogenannte Farbanregungen, die die Ausbildung von Pentaquark-Resonanzen begünstigen können. Die daraus resultierenden Lösungen der Schrödingergleichung waren im Energiebereich der am CERN gemessenen Pentaquark-Resonanz nicht mit einer kompakten Struktur kompatibel. „Unsere Ergebnisse legen daher zumindest für das c\(\bar{c}\)uds-System nahe, dass die räumliche Anordnung der Quarks einem hadronischen Molekül zu entsprechen scheint“, sagt Prof. Wolschin. In diesem Fall wäre die relativ schwache Restwechselwirkung zwischen Meson und Baryon entscheidend für die Erzeugung der Pentaquark-Resonanz.

Für das Verständnis der sogenannten Chromodynamik sind Pentaquark-Zustände von großer Bedeutung, so Georg Wolschin. Dieser Theorie nach wird die starke Wechselwirkung zwischen den Quarks von den Gluonen vermittelt und hängt nicht von der Quarksorte ab. „Die experimentellen Daten zeigen jedoch, dass für die Bildung von Pentaquarks schwere Quarks erforderlich sind. Die Bindungsstärke hängt somit auch von der Quarkmasse ab, reicht aber in dem hier untersuchten System nicht aus, um kompakte Zustände zu bilden“, betont der Heidelberger Physiker.

An den Forschungsarbeiten haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten im japanischen Sendai und Osaka sowie des RIKEN Nishina Forschungszentrums in Wako bei Tokyo mitgewirkt. Die numerischen Kalkulationen hat Prof. Dr. Emiko Hiyama mit dem Supercomputer „Genkai“ der Universität Kyushu durchgeführt, wesentliche theoretische Beiträge zu speziellen Farbanregungen stammen von Prof. Dr. Makoto Oka. Finanziert wurden die gemeinsamen Arbeiten mit Exzellenzmitteln der Universität Heidelberg. Gefördert hat sie zudem die Japan Society for the Promotion of Science. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Physical Review D“ erschienen.