Exotische Hadronen ihre Eigenschaften und wie man sie

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 (e, , , e, , ) (Nur schwache und e. -m. WW) — Hadronen (p, n, , K, ···, f 2(1270, ···) (zusätzlich: Starke WW (QCD)) Baryonen (B=1) Mesonen (B=0) Massenbereich: 140 Me. V(π) - 10 Ge. V ( ) (208 Pb-Kern ≈ 200 Ge. V) H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Einleitung (2) Lebensdauer (Zerfälle) H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Quark-Modell der Hadronen (1) Quark-Sorten: Mesonen : qq Grundzustände: H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Quark-Modell der Hadronen (2) Mesonen : qq Angeregte Zustände (Resonanzen): Zugrunde liegende Symmetrie: SU (2) (Isospin) / SU (3) / SU (4) Einordnung der Zustände in Multipletts H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Quark-Modell der Hadronen (3) Mesonen : qq Besondere Rolle: Zustände mit verborgenem Flavour (cc, bb) H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Quark-Modell der Hadronen (4) Baryonen : qqq Grundzustände: Angeregte Zustände (Resonanzen): H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

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 !) H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Exotische Zustände Mesonen 1. Art Baryonen z. B. : I / |S| / |C| / |B| > 1 z. B. : I > 3/2, S > 0, C < 0, B > 0 2. Art JPC = 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 ( klein) H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Erzeugung von Hadronen Elektromagnetische Proben Hadronische Proben H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (1) Masse/Lebensdauer: Langlebige Teilchen (Protonen, Pionen, ··· ): Ablenkung und Laufzeiten in kombinierten elektr. /magn. Feldern Kurzlebige Teilchen/Resonanzen (f 2(1270), ++, ··· ): Invariantes Massenspektrum der Zerfallsprodukte H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (2) D KKπ (3 -Teilchen) 80. 000 Signalereignisse H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (3) Spin. Parität (JP): Langlebige Teilchen (Proton, Neutron, , Antiproton, ···): Ablenkung im inhomogen B-Feld, Rotation im homogenen B-Feld, Exot. Atome Resonanzen: Winkelverteilung der Zerfallsteilchen Beispiel: D 0 0 0 (0 -+ 1 -- + 0 -+) + 0( 0) werden isotrop emittiert Aber: Vorzugsrichtung von + ( -)relativ zur 0 -Richtung Grund: 0 ist polarisiert Iπ+ ( ) cos 2 ( ), Charakteristisch für J=1 Zwischenzustand ( 0) H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (4) Spezielle Darstellung für 3 -Teilchen-Zustände : Dalitz Plot Interferenz zwischen H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (1) Beispiel: Ba. Bar-Detektor / SLAC/Stanford On-line-Computer - Farm: Rekonstruktion 106 -Kanäle Impulse, Energien, Richtungen, Massen der Teilchen, Sekundärvertizes Im Mittel 20 Vierervektoren pro Ereignis H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (2) Analyse der Daten (109 hadronische Ereignissee ; 1 Peta Byte) Beispiel: 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 Ge. V/c haben (Assortieren von jet-artigen (nicht BB) Ereignissen: Optimierung aller Schnittparameter durch neuronales Netz bzw. evolutionären Algorithmus – K+, K– müssen aus -Zerfall stammen – |cos K+(K–)| > 0. 5 (Helizitäts-Schnitt; J = 1 -System ( ) emittiert (K+(K–) vornehmlich in/gegen Flugrichtung) H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (3) H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Kandidaten für exotische Zustände (1) f 0(1500) (Bester Kandidat für den Glueball-Grundzustand) Erzeugung : pp f 0(1500)π0 (Crystal Barrel/LEAR) Zerfälle : f 0(1500) 2π, 4π, , ‘, KK M = (1505 ± 9) Me. V ; = (111 ± 12) Me. V ; JPC = 0++ 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

Kandidaten für exotische Zustände (3) π1(1400) / π1(1600) (Mesonenartige Zustände mit exotischen Quantenzahlen) Erzeugung/Zerfälle : π–p π1(1400)p (E 835/BNL) und pn π1(1400)π0 (Crystal Barrel/LEAR) π– π–p π1(1600)p (E 835 BNL) und pp π1(1600)π+ (Crystal Barrel/LEAR) π– π– M ≈ 1400, 1600 Me. V ; ≈ 300 Me. V ; JPC = 1–+ (Exotische Q. -Z. , Nicht vereinbar mit Quark-Modell) Exotisch? Exotische JPC-Kombination Hybride? Mehr-Quark-Zustände? H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Kandidaten für exotische Zustände (4) * (2317) / D (2458) Ds. J (Zustände mit Charm und Strangeness Sehr schmal/Unerklärte Massen) Erzeugung: * (2317)+X (Ba. Bar, Cleo, Belle) e+e– Ds. J Dsπ0 e+e– Ds. J(2458)+X (Ba. Bar, Cleo, Belle) * 0 D sπ ? 0+ M = (2316. 8 ± 0. 4) Me. V ; < 10 Me. V ; JP = ? 1+ M = (2458 ± 1) Me. V ; < 10 Me. V ; JP = H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Kandidaten für exotische Zustände (5) m [Ge. V/c 2] Exotisch? – Zustände sehr schmal, obwohl sie nicht die Grundzustände sind – Massen passen nicht zu Quark-Modell-Vorhersagen Fehlende Zustände mit im cs-Termschema? JP = Ds 1 Ds. J 0+/1+ Ds* Ds. J* D*K Ds 2 D 0 K (2458) (2317) Ds 0 - 1 - 0+ JP 1+ 2+ 3 - Chirale Partner der Grundzustände (Nicht enthalten im Quark-Modell)? Mehr-Quark-Zustände? Suche nach weiteren Zuständen im Gange H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Kandidaten für exotische Zustände (6) X(3872) (Aussergewöhnlich schmaler Zustand mit verborgenem Charm) New State Erzeugung: e+e– B+B– (Belle/CDF) K++X(3872) J/ π+π– M = 3871. 8 ± 0. 7 Me. V ; < 3. 5 Me. V Exotisch? – Zustand aussergewöhnlich schmal – Eigenschaften nicht kompatibel mit cc(13 D 2)-Zustand D 0 D*0 -Molekül? Suche nach weiteren schmalen Zuständen im Gange H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Kandidaten für exotische Zustände (7) + (1540) (Schmaler Baryonenzustand mit Strangeness +1) Erzeugung: p +(1540) + K 0 s (SPring 8, ITEP, Jlab, ELSA) n. K+ ? 0 M = (1540 ± 4) Me. V ; < 25 Me. V ; I = 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? H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Kandidaten für exotische Zustände (8) -- 0 -- 3/2(1862), 3/2(1862) (Schmale Baryon-Zustände, mit exot. Q. Z. ) Erzeugung (NA 49/CERN) p(158 Ge. V/c) p --(1862) , 0(1862) + X - - + M = (1862 ± 2)Me. V; <18 Me. V Ebenso gesehen: Antiteilchen Exotisch ? – Baryon mit S = -2 und Q = – 2 ( --) – Beide kleine Breite Weitere Mitglieder eines Anti-Dekupletts? Weitere (Penta)-Quark-Zustände? H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Das Hadron-Projekt an der GSI (1) Hadronen-Experimente mit Antiprotonen-Strahlen hoher Energie (15 Ge. V) Produktion von Zuständen mit Charm Hadron Physics Plasma Physics Existing GSI Facilities Condensed Baryonic Matter Atomic Physics Rare Isotope Beams H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003

Das Hadron-Projekt an der GSI (2) Antiproton-Speicherring (HESR) Teil des GSI Ausbau-Programms ( 2010) 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, ···) 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. H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003