H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003 Exotische Hadronen - ihre...
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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))
Baryonen (B=1) Mesonen (B=0)
Massenbereich: 140 MeV(π) - 10 GeV () (208Pb-Kern ≈ 200 GeV)
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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)
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Quark-Modell der Hadronen (3)
Besondere Rolle:Zustände mit verborgenem Flavour (cc, bb)
Mesonen : qq
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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)
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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
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 (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)
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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)
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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 +
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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
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)
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
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)
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
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
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)
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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)
*
*
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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?
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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?
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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?
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 GeV) Produktion von Zuständen mit Charm
Existing GSI Facilities
Hadron Physics
Plasma Physics
Condensed Baryonic Matter
Atomic PhysicsRare Isotope
Beams
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
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.