Tetraquarks (von griechisch Tetra, vier) sind Hadronen, die aus vier Quarks (zwei Quarks und zwei Antiquarks) zusammengesetzt sind. Sie gehören wie die Pentaquarks und Hexaquarks zu den exotischen Hadronen, das heißt solchen Hadronen, die nicht wie die bekannten Mesonen oder Baryonen aus zwei Quarks (Quark-Antiquark Paar) oder aus drei Quarks aufgebaut sind. Am 28. Juni 2016 verkündigte man am LHCb Experiment bei CERN die Beobachtung von Tetraquarks und bestätigte damit das seit Jahrzehnten umstrittene Modell, welches von der Quantenchromodynamik vorhergesagt wurde. Es gab viele frühere angebliche Beobachtungen eines Tetraquarks. Jedoch stellten sich die Meldungen entweder als falsch heraus oder waren hinsichtlich der Interpretation umstritten.
Im Juni 2016 gab LHCb bekannt[1][2][3][4] gleich vier Resonanzen eines Tetraquarks gesichtet zu haben bei B-Mesonen-Zerfällen. Alle bestehen aus jeweils einen Strange-Antistrange Quark Paar und einen Charm-Anticharm Quark Paar ($ c,{\bar {c}},s,{\bar {s}} $) und zerfielen in ein φ-Meson und J/ψ-Meson. Genannt würden sie: X(4140), X(4274), X(4500) und X(4700). Die Zahl in den Klammern steht für die jeweilige Masse des Teilchens in der Einheit MeV. Dabei sind X(4274), X(4500) und X(4700) angeregte Zustände von X(4140). Nach Angaben der LHCb-Kollaboration wurde die Existenz der Zustände mit einer Sicherheit von fünf Standardabweichungen etabliert und kann nicht durch übliche Hadronen erklärt werden. Die exakte Natur der Bindung ist nach der Veröffentlichung vom Juni 2016 noch Gegenstand von Diskussionen: eng gebundene Tetraquarks oder Paare von D-Mesonen mit Strange-Quark als zweitem Partner ($ D_{s}D_{s}^{*} $), die sich abstoßen und zu J/ψφ (einem sogenannten „cusp“) neu arrangieren.
Der X (4140) Zustand wurde zuvor schon 2009 von der CDF-Kollaboration gefunden und von den CMS und D0 Kollaborationen bestätigt (während die Suche der Belle und BaBar-Kollaborationen nach dem Zustand negativ ausfiel).
Zwei Teams meldeten unabhängig die Entdeckung der kurzlebigen Vier-Quark-Resonanz Zc(3900), das Belle-Team am KEK im japanischen Tsukuba[5][6][7][8] und das Beijing Spectrometer III (BES III) am Beijing Electron Positron Collider in Peking.[9] Die Bezeichnung deutet auf die Masse (3900 MeV, entsprechend etwa der vierfachen Masse des Protons). Es ist einfach positiv geladen und besteht wahrscheinlich aus ($ u $, $ {\bar {d}} $, $ c $, $ {\bar {c}} $) Quarks. Das Belle Team hatte schon 2008 und 2011 Kandidaten für Tetraquarks gemeldet, die aber nicht durch andere Beschleuniger bestätigt wurden. Ursprünglich war man auf der Suche nach dem Y(4260)-Tetraquark Kandidaten, der 2005 am SLAC beobachtet wurde. Allerdings gibt es noch von theoretischer Seite Differenzen über die Interpretation der neu entdeckten Vier-Quark-Zustände als genuine Tetraquarks oder Bindung zweier Mesonen (Mesonen-Moleküle).
Im April 2014 bestätigten Forscher des LHCb-Experiments die Existenz des Z(4430), eines Tetraquark-Kandidats, der bereits von der Belle-Kollaboration beobachtet worden war.[10][11]
In der Interpretation der früher diskutierten Kandidaten standen sich zwei Theorien gegenüber, eine die diese durch ein Modell von zwei gebundenen farb-geladenen Diquarks (die zwei Quarks und Antiquarks bilden jeweils einen Diquark) beschreiben wollten, also einer neuen Teilchenart (Tetraquark), die andere interpretierte dies auf mehr konventionelle Weise als kurzzeitige Resonanz von zwei farb-neutralen Mesonen (die also jeweils aus einem Quark und einem Antiquark bestanden). Ein Problem der Mesonentheorie ist die sich aus ihr ergebende schwache Bindung der beiden farbneutralen Mesonen in der QCD, was es schwierig macht sich vorzustellen, warum sie überhaupt in den hochenergetischen Protonen-Kollisionen am LHC auftreten. Ein Problem der Diquarktheorie ist die Tatsache, dass viele der Kandidaten eine Masse haben, die fast genau der zweier Mesonen entspricht. Die Mesonentheorie galt deshalb bei einigen der Resonanzen wie dem 2003 in Japan gefundenen X(3872) als Favorit, da deren Masse nahe bei der Summe der sie nach der Mesonentheorie zusammensetzenden Mesonen lag. Bei den beim LHC 2014 gefundenen Kandidaten scheint dagegen eine Erklärung in der Mesonentheorie aus den beobachteten Eigenschaften (z.B. Masse, Spin-Parität) schwierig, was die Entdeckung einer neuen Art stark wechselwirkender Teilchen (Tetraquarks) nahelegt. Eine Erklärung innerhalb der QCD steht noch aus.[12]
2010 kündigte eine Gruppe deutscher und pakistanischer Physiker (Ahmed Ali und Christian Hambrock von DESY, Jamil Aslam von der Quaid-i-Azam Universität) die mögliche Entdeckung eines Tetraquarks an, die durch Neuanalyse von Daten des Belle-Experiments aus dem Jahr 2008 möglich wurde.[13][14] Damals waren gegenüber den theoretischen Erwartungen (der Quantenchromodynamik) um mehrere Größenordnungen erhöhte Zerfallsraten eines, wie man annahm, angeregten Bottomonium-Zustands Y (5 S) in niedrigere Zustände unter Erzeugung eines Paars geladener Pionen beobachtet worden. Ali, Hambrock und Aslam interpretieren den Ausgangszustand als Tetraquark $ Y_{b}(10890) $ aus zwei leichten $ \,u $- bzw. $ {\overline {u}} $-Quarks und zwei schweren $ \,b $- bzw. $ {\overline {b}} $-Quarks.[15] Die Autoren geben an, die Massen und Zerfallsraten mit ihrem Modell gut reproduzieren zu können. Es gibt aber auch alternative Erklärungsversuche.[14]