H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003 Exotische Hadronen - ihre Eigenschaften und wie man sie findet - – Einleitung – Quark-Modell der Hadronen – Exotische Zustände – Erzeugung von Hadronen – Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen – Experimente/Datenauswertung in der Hadronenspektroskopie – Überblick über exotische Zustände – Zukunftsperspektiven: HESR/PANDA an der GSI Darmstadt – Zusammenfassung
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H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003 Exotische Hadronen - ihre Eigenschaften und wie man sie findet - – Einleitung –
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H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Exotische Hadronen - ihre Eigenschaften und wie man sie findet -
– Einleitung
– Quark-Modell der Hadronen
– Exotische Zustände
– Erzeugung von Hadronen
– Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen
– Experimente/Datenauswertung in der Hadronenspektroskopie
– Überblick über exotische Zustände
– Zukunftsperspektiven: HESR/PANDA an der GSI Darmstadt
– Zusammenfassung
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Einleitung (1)
Leptonen — Hadronen
(e, , , e, , ) (p, n, , K, ···, f2(1270, ···)
(Nur schwache und e.-m. WW) (zusätzlich: Starke WW (QCD))
↑↓(S=0); L =0; nr =0J =L ⊕S; RäumlicheParitätP=(−1)L+1; LadungsparitätC =(−1)L+S
z.B.: π+=ud ↑↓( ); J PC =0−(+)
D+=cd ↑↓( ); J P =0−
Quark-Sorten:
Grundzustände:
Mesonen : qq
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Quark-Modell der Hadronen (2)
€
↑↑(S=1) und/oderL =1,2,⋅⋅⋅ und/odernr =1,2,⋅⋅⋅
z.B.: ρ+=ud ↑↑( )undL =0; J PC =1−(−)
K 0* =ds ↑↑( )undL =1; J P =0+
Angeregte Zustände (Resonanzen):
Zugrunde liegende Symmetrie:SU (2) (Isospin) / SU (3) / SU (4) Einordnung der Zustände in Multipletts
Mesonen : qq
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Quark-Modell der Hadronen (3)
Besondere Rolle:Zustände mit verborgenem Flavour (cc, bb)
Mesonen : qq
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Quark-Modell der Hadronen (4)
€
S =S1 ⊕S2 ⊕S3 =12, 3
2
L =L1⊕ L2 =0,1,2,⋅⋅⋅J =L ⊕S =1
2, 32, 5
2,⋅⋅⋅
P =(−1)L1 ⋅(−1)L2
€
↑↓↑(S=12); L1 =L2 =L =0; nr =0
z.B.: p=uud↑↑↓( ); J P =12+
Λ =uds↑↑↓( ); J P =12+
Λb =udb↑↑↓( ); J P =12+(Nochnichtgefunden)
Grundzustände:
Angeregte Zustände (Resonanzen):
Baryonen : qqq
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Quark-Modell der Hadronen (5)
SU (3) / SU (4) - Symmetrie Baryonen-Multipletts
Aussage des Quark-Modells (und der SU (N)-Symmetrie)Erklärung der beobachteten MultiplettsBerechnung der Häufigkeit von ZerfallkanälenVerhältnisse von magnetischen Momenten von TeilchenVerhältnissse von Massen von Teilchen (Problem: Absolute Masse, Dynamischer Effekt !)
Baryonen : qqq
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Exotische Zustände
Mesonen Baryonen1. Art z.B.: I / |S| / |C| / |B| > 1 z.B.: I > 3/2, S > 0, C < 0, B > 0
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Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (1)
Masse/Lebensdauer: Langlebige Teilchen (Protonen, Pionen, ··· ):Ablenkung und Laufzeiten in kombinierten elektr./magn. Feldern
Kurzlebige Teilchen/Resonanzen (f2(1270), ++, ··· ):Invariantes Massenspektrum der Zerfallsprodukte
€
Beispiele: ρ0 → π+π−(2 TeilchenZerfall)
mπ+π− = E
π+ +Eπ−( )
2−
r P
π+ +r P
π−( )2
{ }1/2
(Invariante2−Teilchen−Masse)
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Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (2)
D KKπ (3-Teilchen)
€
mKK π = EK +EK +Eπ( )2 −
r p K +
r p K +
r p π( )
2{ }
1/2(Invariante3−Teilchen−Masse)
Beispiel:D+, DS+→ K +K −π+
80.000 Signal-
ereignisse
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Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (3)
SpinParität (JP):Langlebige Teilchen (Proton, Neutron, , Antiproton, ···): Ablenkung im inhomogen B-Feld, Rotation im homogenen B-Feld, Exot. Atome
Resonanzen: Winkelverteilung der Zerfallsteilchen
Beispiel: D0 00 (0-+ 1-- + 0-+) + -
0(0) werden isotrop emittiert Aber: Vorzugsrichtung von + (-)relativ zur 0-Richtung Grund: 0 ist polarisiert Iπ+ () cos2 (), Charakteristisch für J=1 Zwischenzustand (0)
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Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (4)
Spezielle Darstellung für 3-Teilchen-Zustände : Dalitz Plot
€
Beispiel:D0 → K 0K +K −
Interferenz zwischen
€
φ→ K +K −:Aφ
und(skalarem) Untergrund:AS
A 2 =AS +Aφ2
=AS +cosϑ ⋅sinϕeiϕ 2
ϕ(MK+K−)=Streuphase;90° beim
K+K− =1020MeV(φ)
Zusätzlich:a0
+(980)→ K 0K +
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Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (1)
Beispiel: BaBar-Detektor / SLAC/Stanford
106-Kanäle Impulse, Energien, Richtungen, Massen der Teilchen, Sekundärvertizes
Im Mittel 20 Vierervektoren pro Ereignis
On-line-Computer - Farm: Rekonstruktion
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Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (2)
Beispiel:
€
e+(3.1GeV) e−(9GeV)→ Ds±+X
φπ±
K +K −
Analyse der Daten (109 hadronische Ereignissee ; 1 Peta Byte)
Schnitte:– Mindestens zwei geladene Kaonen im Ereignis– Drei unterschiedliche geladene Spuren (Q=±1) mit gemeinsamem Vertex– 2 Spuren sollen Kaonen verschiedener Ladungen sein, 3. Spur kein Kaon– (KKπ)-System soll im e+e–-CMS einen Impuls > 2.5 GeV/c haben (Assortieren von jet-artigen (nicht BB) Ereignissen:
Exotisch? – Überzählig in 0++-Nonett – Relativ schmal – Zerfällt in Teilchen, die u, d und s-Quarks enthalten – Masse und Quantenzahlen in guter Übereinstimmung mit Lattice QCD-Vorhersage für Glueball-Grundzustand
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Kandidaten für exotische Zustände (2)
Suche nach schwereren Glue-Balls
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Exotisch? – Baryon mit Strangeness +1 – Kleine Breite Mitglied eines Anti-Dekupletts (Soliton-Modell für Baryonen (Diakonov, Petrov,Polyakov,))?Mehr (Penta)-Quark-Zustand (uudds)?Chiraler Zustand?
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Kandidaten für exotische Zustände (8)
Erzeugung (NA 49/CERN) p(158GeV/c) p --(1862) , 0(1862) + X -- -+
- -
M = (1862 ± 2)MeV; <18MeVEbenso gesehen: Antiteilchen
-- (1862), 0 (1862) (Schmale Baryon-Zustände, -- mit exot. Q.Z.)3/23/2
Exotisch ? – Baryon mit S = -2 und Q = –2 (--) – Beide kleine Breite
Weitere Mitglieder eines Anti-Dekupletts?Weitere (Penta)-Quark-Zustände?
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Das Hadron-Projekt an der GSI (1)
Hadronen-Experimente mit Antiprotonen-Strahlen hoher Energie (15 GeV) Produktion von Zuständen mit Charm
Existing GSI Facilities
Hadron Physics
Plasma Physics
Condensed Baryonic Matter
Atomic PhysicsRare Isotope
Beams
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Das Hadron-Projekt an der GSI (2)
Meriten der Experimente mit Antiprotonen– Hadronen-Spektroskopie– Hohe Wirkungsquerschnitte Gute Chance, seltene Teilchen zu finden– pp-Annihilation ist gluon-reicher Prozess Gute Chance, Teilchen mit gluonischen Frei- heitsgraden (Glueballs, Hybride) zu finden.– p-Strahlen können mit sehr kleiner Energiedispersion erzeugt werden Scan-Experimente an schmalen Resonanzen
Viele andere Experimente möglich (Hyperkerne, Eigenschaften von Hadronen innerhalbvon Kernmaterie, CP-Verletzung, ···)
Antiproton-Speicherring (HESR) Teil des GSI Ausbau-Programms ( 2010)
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
High Energy Storage Ring and Detector Concept
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Zusammenfassung
– In letzter Zeit viele neue und überraschende Ergebnisse.
– Im Mesonen- und Baryonen-Bereich existieren Zustände, die nicht oder nur sehr schwer durch die bisherigen Modellrechnungen erklärt werden können.
– Die theoretischen Vorstellungen über die Struktur von Hadronen müssen möglicherweise revidiert werden.
– Im Bereich der Hadronenphysik sind auch in Zukunft weitere interessante Resultate zu erwarten (COSY, ELSA, MAMI).
– Das neue Projekt an der GSI (HESR/PANDA) wird dem Gebiet weiteren Aufschwung verleihen.