Exotische Hadronen. - ihre Eigenschaften und wie man sie findet -

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1 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

2 Einleitung (1) Leptonen Hadronen (e, µ, τ, ν e, ν µ, ν τ ) (p, n, π, K,, f 2 (1270, ) (Nur schwache und e.-m. WW) (zusätzlich: Starke WW (QCD)) Baryonen (B=1) Mesonen (B=0) Massenbereich: 140 MeV(π) - 10 GeV (Υ) ( 208 Pb-Kern 200 GeV)

3 Lebensdauer (Zerfälle) Einleitung (2) Pr oton ( 938) : τ =? Neutron ( 940): τ = 885s ( Schwacher Zerfall) + 8 π ( 140) : τ= 2. 6x10 s (") + 8 K ( 494) : τ = 1. 2x10 s (") + 12 Grundzustände / Teilchen D ( 1869) : τ = 1. 05x10 s (") + 12 B ( 5279) : τ = 1. 67x10 s (") 0 17 π ( 135) : τ= 8. 4 x10 s ( e. m. Zerfall) 24 f = = 2( 1270) : τ 3. 5 x10 s/ Γ 185MeV ( Starker Zerfall) M Angeregte Zustände/Resonanzen M Leichte Hadronen : Wenige Zerfallsmod en ( π ) Schwere Hadronen : > 100 Zerfallsmod en ( D ) + +

4 Quark-Sorten: Quark-Modell der Hadronen (1) q u( 4 MeV), d( 8 MeV), s( 100 MeV), c( 1500 MeV), b( 4000 MeV), t( MeV) = ( ) Quarks mit Flavour ( Strangeness, Charm, Beauty, ) Mesonen : qq Grundzustände: ( S= 0); L= 0; nr = 0 L 1 J= L S; Räumliche Parität P = ( 1) ; LadungsparitätC= ( 1) ( ) PC = ( ) P = + ( + ) zb..: π = ud ; J D = cd ; J L+ S

5 Quark-Modell der Hadronen (2) Angeregte Zustände (Resonanzen): ( S = 1) und / oder L = 1, 2, und / oder n = 1, 2, ( ) = PC = ( ) = = + ( ) z. B.: ρ = ud und L 0; J 1 * P + K = ds und L 1; J 0 0 Mesonen : qq Zugrunde liegende Symmetrie: SU (2) (Isospin) / SU (3) / SU (4) Einordnung der Zustände in Multipletts r

6 Quark-Modell der Hadronen (3) Mesonen : qq Besondere Rolle: Zustände mit verborgenem Flavour (cc, bb)

7 S = S S S = , 3 2 L= L1 L2 = 012,,, J = L S =,,, P L1 L2 = ( 1) ( 1) Grundzustände: Quark-Modell der Hadronen (4) ( S= ); L = L = L= 0; n = 0 P ( ) = z. B.: p = uud ; J 1 2 P + Λ = uds ( ) ; J = 1 2 P + Λ = udb ; J ( Noch nicht gefunden) b ( ) = Angeregte Zustände (Resonanzen): ( S = ) und/ oder L, L = 12,,, n > 0 P ( ) = z. B.: = uuu ; J Baryonen : qqq r r

8 Quark-Modell der Hadronen (5) Baryonen : qqq SU (3) / SU (4) - Symmetrie Baryonen-Multipletts Aussage des Quark-Modells (und der SU (N)-Symmetrie) Erklärung der beobachteten Multipletts Berechnung der Häufigkeit von Zerfallkanälen Verhältnisse von magnetischen Momenten von Teilchen Verhältnissse von Massen von Teilchen (Problem: Absolute Masse, Dynamischer Effekt!)

9 Exotische Zustände Mesonen Baryonen 1. Art z.b.: I / S / C / B > 1 z.b.: I > 3/2, S > 0, C < 0, B > 0 2. Art J PC = 0 +-, 0 --, 1 -+, 2 +-, (Exot. Q.-Z.) 3. Art Überschuss in Multipletts; Massen, Gesamt- (Partial-) breiten in Widerspruch zu Quark-Modell Mit QCD verträgliche Konfigurationen Oft charakteristisch für exotische Zustände : Lange Lebensdauer (Γ klein)

10 Are glueballs configurations of colored flux with knots? L. Faddeev, A. Niemi, U. Wiedner; hep-ph/

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12 A twisted glueball

13 Erzeugung von Hadronen Elektromagnetische Proben Niedere Energien : + γ ( 2 GeV) p Θ 0 Ks ( ELSA/ Bonn) + + nk ππ Hohe Energien : + * e ( 9 GeV) e ( 3. 1GeV) DsJ( 2317) + X ( BaBar / Stan ford) 0 Dsπ φπ + KK Gesamtprozess berechenbar, kleine Wirkungsquerschnitte Hadronische Proben Niedere Energien : p ( 200 MeV) p G + π ( LEAR / CERN) 0 0 ππ ± Hohe Energien : π ( 500 GeV) p D + X ( E791/ Fermilab) K π π Große Wirkungsquerschnitte Hohe Sensitivität auf seltene Zustände 0 + ±

14 Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (1) Masse/Lebensdauer: Langlebige Teilchen (Protonen, Pionen, ): Ablenkung und Laufzeiten in kombinierten elektr./magn. Feldern 0 Kurzlebige Teilchen/Resonanzen (f 2 (1270), ++, ): Invariantes Massenspektrum der Zerfallsprodukte + Beispiele : ρ π π ( 2 Teilchen Zerfall) 2 r r 2 12 / m = E + E P P ( Invar iante 2 Teilchen Masse) {( ) ( + ) } π π π π π π

15 Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (2) D KKπ (3-Teilchen) 2 r r r 2 m = E + E + E p p p 12 / ( Invar iante 3 Teilchen Masse) {( ) ( + + ) } KKπ K K π K K π S π + Beispiel: D, D K K Signalereignisse

16 Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (3) Spin Parität (J P ): Langlebige Teilchen (Proton, Neutron, Λ, Antiproton, ): Ablenkung im inhomogen B-Feld, Rotation im homogenen B-Feld, Exot. Atome Resonanzen: Winkelverteilung der Zerfallsteilchen Beispiel: D 0 ρ 0 π 0 ( ) π + π - π 0 (ρ 0 ) werden isotrop emittiert Aber: Vorzugsrichtung von π + (π - )relativ zur ρ 0 -Richtung Grund: ρ 0 ist polarisiert I π + (Θ) cos 2 (Θ), Charakteristisch für J=1 Zwischenzustand (ρ 0 )

17 Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (4) Spezielle Darstellung für 3-Teilchen-Zustände : Dalitz Plot Beispiel: D Interferenz zwischen K K K φ K K : Aφ und ( skalarem) Untergrund : A S 2 2 iϕ 2 S φ S A = A + A = A + cos ϑ sinϕe ϕ( M ) = Streuphase; 90 bei m = 1020MeV( φ) + + K K K K Zusätzlich : 0 a ( 980) K K + + 0

18 Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (1) Beispiel: BaBar-Detektor / SLAC/Stanford On-line-Computer - Farm: Rekonstruktion Kanäle Impulse, Energien, Richtungen, Massen der Teilchen, Sekundärvertizes Im Mittel 20 Vierervektoren pro Ereignis

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21 Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (2) Analyse der Daten (10 9 hadronische Ereignissee ; 1 Peta Byte) + ± Beispiel: e ( 31. GeV) e ( 9GeV) Ds + X ± φπ + K K 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: K +, K müssen aus φ-zerfall stammen cos θ K + (K ) > 0.5 (Helizitäts-Schnitt; J = 1-System (φ) emittiert (K + (K ) vornehmlich in/gegen Flugrichtung) Optimierung aller Schnittparameter durch neuronales Netz bzw. evolutionären Algorithmus

22 Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (3)

23 Kandidaten für exotische Zustände (1) f 0 (1500) (Bester Kandidat für den Glueball-Grundzustand) Erzeugung : pp f 0 (1500)π 0 (Crystal Barrel/LEAR) Zerfälle : f 0 (1500) 2π, 4π, ηη, ηη, KK M = (1505 ± 9) MeV ; Γ = (111 ± 12) MeV ; J PC = 0 ++ Exotisch? Überzählig in 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

24 Suche nach schwereren Glue-Balls Kandidaten für exotische Zustände (2)

25 Kandidaten für exotische Zustände (3) π 1 (1400) / π 1 (1600) (Mesonenartige Zustände mit exotischen Quantenzahlen) Erzeugung/Zerfälle : π p π 1 (1400)p (E835/BNL) und pn π 1 (1400)π 0 (Crystal Barrel/LEAR) ηπ ηπ π p π 1 (1600)p (E835 BNL) und pp π 1 (1600)π + (Crystal Barrel/LEAR) π η π η M 1400, 1600 MeV ; Γ 300 MeV ; J PC = 1 + (Exotische Q.-Z., Nicht vereinbar mit Quark-Modell) Exotisch? Exotische J PC -Kombination Number of events a 2 (1320) π 1 (1400) Hybride? Mehr-Quark-Zustände? m πη [GeV 2 /c 4 ]

26 D* sj (2317) / D sj (2458) Kandidaten für exotische Zustände (4) (Zustände mit Charm und Strangeness Sehr schmal/unerklärte Massen) Erzeugung: e + e D sj *(2317)+X (BaBar, Cleo, Belle) D s π 0 e + e D sj (2458)+X (BaBar, Cleo, Belle) * D s π 0 M = ( ± 0.4) MeV ; Γ < 10 MeV ; J P? = 0 + M = (2458 ± 1) MeV ; Γ < 10 MeV ; J P? = 1 +

27 Kandidaten für exotische Zustände (5) Exotisch? Zustände sehr schmal, obwohl sie nicht die Grundzustände sind Massen passen nicht zu Quark-Modell-Vorhersagen Fehlende Zustände mit J P = 0 + /1 + im cs-termschema? m [GeV/c 2 ] D s D s * D sj* (2317) D s1 D sj (2458) D s2 D*K D 0 K Chirale Partner der Grundzustände (Nicht enthalten im Quark-Modell)? Mehr-Quark-Zustände? Suche nach weiteren Zuständen im Gange J P

28 Kandidaten für exotische Zustände (6) cc(3870) (Aussergewöhnlich schmaler Zustand mit verborgenem Charm) Erzeugung: e + e B + B (Belle) K + +cc(3870) J/ψ π + π M = ± 0.7 MeV ; Γ < 3.5 MeV New State Exotisch? Zustand aussergewöhnlich schmal Eigenschaften nicht kompatibel mit cc(1 3 D 2 )-Zustand D 0 D* 0 -Molekül? Suche nach weiteren schmalen Zuständen im Gange

29 Kandidaten für exotische Zustände (7) Θ + (1540) (Schmaler Baryonenzustand mit Strangeness +1) Erzeugung: γp Θ + (1540) + K 0 s (SPring 8, ITEP, Jlab, ELSA) nk + M = (1540 ± 4 MeV) ; Γ < 25 MeV ; I? = 0 Exotisch? Baryon mit Strangeness +1 Kleine Breite Mitglied eines Anti-Dekupletts (Soliton-Modell für Baryonen (Polyakov, Goeke, ))? Mehr (Penta)-Quark-Zustand (uudds)? Chiraler Zustand?

30 Das Hadron-Projekt an der GSI (1) Hadronen-Experimente mit Antiprotonen-Strahlen hoher Energie (15 GeV) Produktion von Zuständen mit Charm Hadron Physics Plasma Physics Existing GSI Facilities Condensed Baryonic Matter Atomic Physics Rare Isotope Beams

31 Das Hadron-Projekt an der GSI (2) Antiproton-Speicherring (HESR) Teil des GSI Ausbau-Programms ( 2010) Bochum in vorderster Front beteiligt: Ausarbeitung der Experiment-Vorschläge, Bau des e.-m. Kalorimeters für den Detektor (PANDA) 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 Freiheitsgraden (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 innerhalb von Kernmaterie, CP-Verletzung, )

32 High Energy Storage Ring and Detector Concept

33 Zusammenfassung In letzter Zeit viele neue und überraschende Ergebnisse. Im Mesonen- und Baryonen-Bereich existieren Zustände, die nicht durch die bisherigen Modellrechnungen erklärt werden können. Die theoretischen Vorstellungen über die Struktur von Hadronen müssen revidiert werden ( Vortrag Goeke). Deutschland spielt weltweit eine wichtige Rolle in der experimentellen und theoretischen Hadronenphysik. Das neue Projekt an der GSI (HESR/PANDA) wird dem Gebiet weiteren Aufschwung verleihen.