Exotische Hadronen - ep1.ruhr-uni-bochum.dedagmar/koch_kolloquium.pdf · H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003 Exotische Hadronen - ihre Eigenschaften und wie

H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 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


Einleitung (1)

Leptonen — Hadronen

(e, µ, τ, νe, νµ, ντ) (p, n, π, 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 (Υ)

(208Pb-Kern ≈ 200 GeV)


Einleitung (2)

Pr ( ) : ?( ) : ( )

( ) : . (")

( ) : . (")

( ) : . (")

( ) : . (")

( ) : . ( .

otonNeutron s Schwacher Zerfall

x s

K x s

D x s

B x s

x s e

938940 885

140 2 6 10

494 1 2 10

1869 1 05 10

5279 1 67 10

135 8 4 10

8

8

12

12

0 17

ττ

π ττττ

π τ

= ∞======

+ −

+ −

+ −

+ −

− −−

= =

>

−

+

+

m Zerfall

Grundzustände Teilchen

f x s MeV Star ZerfallAngeregte Zustände sonanzen

Leichte Hadronen Wenige Zerfalls en

Schwere Hadronen Zerfalls en D

. )

/

( ) : . / ( ker )/Re

: mod ( )

: mod ( )

2241270 3 5 10 185

100

τ

π

ΓM

M

Lebensdauer (Zerfälle)


Quark-Modell der Hadronen (1)

q u MeV d MeV s MeV c MeV b MeV t MeV

Quarks mit Flavour Strangeness Charm Beauty

= ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ( )⋅⋅⋅

( ), ( ), ( ), ( ), ( ), ( )

( , , , )

4 8 100 1500 4000 1780001 2444444444444 3444444444444

↑↓ = = == ⊕ = − = −

= ↑↓( ) == ↑↓( ) =

+ +

+ − +

+ −

( ) ; ;; ( ) ; ( )

. . : ;;

( )

S L nJ L S Räumliche Parität P Ladungsparität C

z B ud JD cd J

rL L S

PC

P

0 0 01 1

00

1

π

Quark-Sorten:

Grundzustände:

Mesonen : qq



↑↑ = = ⋅⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅

= ↑↑( ) = == ↑↑( ) = =

+ − −

+

( ) / , , / , ,

. . : ;

;

( )

*

S und oder L und oder n

z B ud und L J

K ds und L J

r

PC

P

1 1 2 1 2

0 1

1 00

ρ

Angeregte Zustände (Resonanzen):

Zugrunde liegende Symmetrie:SU (2) (Isospin) / SU (3) / SU (4) Einordnung der Zustände in Multipletts

Mesonen : qq



Besondere Rolle:Zustände mit verborgenem Flavour (cc, bb)

Mesonen : qq



S S S SL L LJ L S

P L L

= ⊕ ⊕ == ⊕ = ⋅ ⋅ ⋅= ⊕ = ⋅ ⋅ ⋅= − ⋅ −

1 2 31

23

2

1 21

23

25

2

0 1 2

1 11 2

,, , ,, , ,

( ) ( )

↑↓↑ = = = = =

= ↑↑↓( ) == ↑↑↓( ) == ↑↑↓( ) =

+

+

+

( ) ; ;

. . : ;

;

; ( )

S L L L n

z B p uud J

uds J

udb J Noch nicht gefunden

r

P

P

bP

12 1 2

12

121

2

0 0

ΛΛ

Grundzustände:

↑↑↑ = = ⋅ ⋅⋅ >

= ↑↑↑( ) =++ +

( ) / , , , ,

. . : ;

S und oder L L n

z B uuu J

r

P

32 1 2

32

1 2 0

∆

Angeregte Zustände (Resonanzen):

Baryonen : qqq



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


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 (Γ klein)


Are glueballs configurations of colored flux with knots?

L. Faddeev, A. Niemi, U. Wiedner; hep-ph/0308240



A twisted glueball


Erzeugung von Hadronen

Elektromagnetische Proben

Hadronische Proben

Niedere Energien GeV p K ELSA Bonn

nK

Hohe Energien e GeV e GeV D X BaBar S ford

D

K KGesamtprozess berechenbar kleine Wirkungsquerschnitte

s

sJ

s

: ( ) ( / )

: ( ) ( . ) ( ) ( / tan )

,

*

γπ π

πφπ

2

9 3 1 2317

0

0

→

→ +

+

+ + −

− +

+ −

Θ

Niedere Energien p MeV p G LEAR CERN

Hohe Energien GeV p D X E Fermilab

KGroße Wirkungsquerschnitte Hohe Sensitivität auf seltene Zustände

: ( ) ( / )

: ( ) ( / )

200

500 791

0

0 0

→ +

→ +

→

− ±

− + ±

ππ π

ππ π


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 Teilchen Zerfall

m E E P P In iante Teilchen Masse

: ( )

( var )/

ρ π π

π π π π π π

0

2 2 1 22

2

→

= +( ) − +( ){ } − −

+ −

+ − + − + −

r r



D → KKπ (3-Teilchen)

m E E E p p p In iante Teilchen Masse

Beispiel D D K K

KK K K K K

S

π π π

π

= + +( ) − + +( ){ } − −

→+ + + − +

2 2 1 23

r r r /( var )

: ,

≈ 80.000 Signal-

ereignisse



SpinParität (JP):Langlebige Teilchen (Proton, Neutron, Λ, Antiproton, ···): Ablenkung im inhomogen B-Feld, Rotation im homogenen B-Feld, Exot. Atome

Resonanzen: Winkelverteilung der Zerfallsteilchen

Beispiel: D0 →ρ0π0 (0-+ → 1-- + 0-+) π+ π-

π0(ρ0) werden isotrop emittiert Aber: Vorzugsrichtung von π+ (π-)relativ zur ρ0-Richtung Grund: ρ0 ist polarisiert Iπ+ (Θ) ∝ cos2 (Θ), Charakteristisch für J=1 Zwischenzustand (ρ0)



Spezielle Darstellung für 3-Teilchen-Zustände : Dalitz Plot

Beispiel D K K K: 0 0→ + −

Interferenz zwischen

φ

ϑ ϕ

ϕ φ

φ

φϕ

→

= + = + ⋅

= ° =

→

+ −

+ +

+ − + −

K K Aund skalarem Untergrund A

A A A A e

M Streuphase bei m MeV

Zusätzlich

a K K

S

S Si

K K K K

:( ) :

cos sin

( ) ; ( )

:

( )

2 2 2

00

90 1020

980


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

⇒

⇒





Beispiel: e GeV e GeV D X

K K

s+ − ±

±

+ −

→ +( . ) ( )3 1 9

φπ

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

Optimierung allerSchnittparameterdurch neuronalesNetz bzw. evolutio-nären Algorithmus




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, ηη , ηη‘, KKM = (1505 ± 9) MeV ; Γ = (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



Suche nach schwereren Glue-Balls


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

π–p → π1(1600)p (E835 BNL) und pp → π1(1600)π+ (Crystal Barrel/LEAR) π–η π–η M ≈ 1400, 1600 MeV ; Γ ≈ 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)

1 32

a2(1320)

π1(1400)

mπη [GeV2/c4]2

Num

ber

of e

vent

s



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 ; Γ < 10 MeV ; JP 0+

M = (2458 ± 1) MeV ; Γ < 10 MeV ; JP 1+

*

?=

?=

Erzeugung:

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

*

*



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?


New State


cc(3870) (Aussergewöhnlich schmaler Zustand mit verborgenem Charm)

Erzeugung: e+e– → B+B– (Belle) K++cc(3870) J/ψ π+π–

M = 3871.8 ± 0.7 MeV ; Γ < 3.5 MeV

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

D0D*0-Molekül?

Suche nach weiteren schmalen Zuständen im Gange



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

Erzeugung: γp → Θ+(1540) + K0 (SPring 8, ITEP, Jlab, ELSA) nK+

M = (1540 ± 4 MeV) ; Γ < 25 MeV ; I 0

s

?=

Exotisch? – Baryon mit Strangeness +1 – Kleine Breite Mitglied eines Anti-Dekupletts (Soliton-Modell für Baryonen (Polyakov, Goeke, ···))?Mehr (Penta)-Quark-Zustand (uudds)?Chiraler Zustand?


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

CondensedBaryonic Matter

Atomic PhysicsRare Isotope

Beams


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 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, ···)


High Energy Storage Ring and Detector Concept


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.

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