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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Einleitung (1)

Leptonen — Hadronen

(e, , , e, , ) (p, n, , K, ···, f2(1270, ···)

(Nur schwache und e.-m. WW) (zusätzlich: Starke WW (QCD))

Baryonen (B=1) Mesonen (B=0)

Massenbereich: 140 MeV(π) - 10 GeV () (208Pb-Kern ≈ 200 GeV)

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Einleitung (2)

€

Proton(938) :τ=∞ ?Neutron(940):τ=885s (SchwacherZerfall)

π+(140) :τ=2.6x10−8s (")

K +(494) :τ=1.2x10−8s (")

D+(1869) :τ=1.05x10−12s (")

B+(5279) :τ=1.67x10−12s (")

π0(135) :τ=8.4x10−17s (e.−m. Zerfall)

⎫

⎬

⎪ ⎪ ⎪ ⎪

⎭

⎪ ⎪ ⎪ ⎪

Grundzustände/Teilchen

f2(1270) :τ=3.5x10−24s/Γ =185MeV(StarkerZerfall)MM

⎫

⎬ ⎪

⎭ ⎪ AngeregteZustände/Resonanzen

LeichteHadronen:WenigeZerfallsmoden(π+)

SchwereHadronen: >100Zerfallsmoden(D+)

Lebensdauer (Zerfälle)

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Quark-Modell der Hadronen (1)

€

q=u(≈4 MeV), d(≈8MeV),s(≈100MeV),c(≈1500MeV),b(≈4000MeV), t(178000MeV)( )QuarksmitFlavour(Strangeness, Charm, Beauty,⋅⋅⋅)

1 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

€

↑↓(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

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)

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Erzeugung von Hadronen

Elektromagnetische Proben

Hadronische Proben

€

NiedereEnergien: γ(2GeV)p→ Θ+ K s0 (ELSA/Bonn)

nK+ π+π−

HoheEnergien : e−(9GeV)e+(3.1GeV)→ DsJ* (2317)+X (BaBar/Stanford)

Dsπ0

φπ

K+K−

Gesamtprozessberechenbar, kleineWirkungsquerschnitte

€

NiedereEnergien: p (200MeV)p→ G+π0 (LEAR /CERN)

π0π0

HoheEnergien : π−(500GeV) p→ D±+X (E791/Fermilab)

K −π+π±

GroßeWirkungsquerschnitte→ HoheSensitivitätaufselteneZustände

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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:

– K+, K– müssen aus -Zerfall stammen– |cos K+(K–)| > 0.5 (Helizitäts-Schnitt; J = 1-System () emittiert (K+(K–) vornehmlich in/gegen Flugrichtung)

€

⎫

⎬

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪

⎭

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪

Optimierung allerSchnittparameterdurch neuronalesNetz bzw. evolutio-nären Algorithmus

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Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (3)

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Kandidaten für exotische Zustände (1)

f0(1500) (Bester Kandidat für den Glueball-Grundzustand)

Erzeugung : pp f0(1500)π0 (Crystal Barrel/LEAR)Zerfälle : f0(1500) 2π, 4π, , ‘, KKM = (1505 ± 9) MeV ; = (111 ± 12) MeV ; 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

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Kandidaten für exotische Zustände (2)

Suche nach schwereren Glue-Balls

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Erzeugung/Zerfälle : π–p π1(1400)p (E835/BNL) und pn π1(1400)π0 (Crystal Barrel/LEAR) π– π–

π–p π1(1600)p (E835 BNL) und pp π1(1600)π+ (Crystal Barrel/LEAR) π– π– M ≈ 1400, 1600 MeV ; ≈ 300 MeV ; JPC = 1–+ (Exotische Q.-Z., Nicht vereinbar mit Quark-Modell)

Exotisch? Exotische JPC-Kombination

Hybride? Mehr-Quark-Zustände?

Kandidaten für exotische Zustände (3)

π1(1400) / π1(1600) (Mesonenartige Zustände mit exotischen Quantenzahlen)

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Kandidaten für exotische Zustände (4)

DsJ(2317) / DsJ(2458)

e+e– DsJ(2317)+X (BaBar, Cleo, Belle) Dsπ0

e+e– DsJ(2458)+X (BaBar, Cleo, Belle) Dsπ0

M = (2316.8 ± 0.4) MeV ; < 10 MeV ; JP 0+

M = (2458 ± 1) MeV ; < 10 MeV ; JP 1+

*

?=

?=

Erzeugung:

(Zustände mit Charm und Strangeness Sehr schmal/Unerklärte Massen)

*

*

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Kandidaten für exotische Zustände (5)

Exotisch? – Zustände sehr schmal, obwohl sie nicht die Grundzustände sind – Massen passen nicht zu Quark-Modell-Vorhersagen

Chirale Partner der Grundzustände (Nicht enthalten im Quark-Modell)?Mehr-Quark-Zustände?

Suche nach weiteren Zuständen im Gange

0 1 0 1 2 3

Ds

Ds*DsJ*

(2317)

Ds1m [G

eV/c

2 ]

D0K

D*KDsJ

(2458)

Ds2

JP

Fehlende Zustände mit JP = 0+/1+

im cs-Termschema?

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New State

Kandidaten für exotische Zustände (6)

X(3872) (Aussergewöhnlich schmaler Zustand mit verborgenem Charm)

Erzeugung: e+e– B+B– (Belle/CDF) K++X(3872) J/ π+π–

M = 3871.8 ± 0.7 MeV ; < 3.5 MeV

Exotisch? – Zustand aussergewöhnlich schmal – Eigenschaften nicht kompatibel mit cc(13D2)-Zustand

D0D*0-Molekül?

Suche nach weiteren schmalen Zuständen im Gange

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Kandidaten für exotische Zustände (7)

+ (1540) (Schmaler Baryonenzustand mit Strangeness +1)

Erzeugung: p +(1540) + K0 (SPring 8, ITEP, Jlab, ELSA) nK+

M = (1540 ± 4) MeV ; < 25 MeV ; I 0

s

?=

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

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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.