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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, ···, f2(1270, ···)
(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)
Lebensdauer (Zerfälle)
Proton (938) :    ?
Neutron (940) :   885s
  (140)
:   2.6 x10 8 s
K  (494)
D (1869)
:   1.2 x10 8 s
:   1.05 x10 12 s
B (5279)
 0 (135)
:   1.67 x10 12 s
:   8.4 x10 17 s
f2 (1270)
(Schwacher Zerfall)

(")


(")

Grundzustände/ Teilchen
(")


(")

(e. m. Zerfall) 

:   3.5x10 24 s /   185MeV (Starker Zerfall)

Angeregte Zustände/Resonanzen


Leichte Hadronen : Wenige Zerfallsmoden (  )
Schwere Hadronen :  100 Zerfallsmoden (D )
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Quark-Modell der Hadronen (1)
Quark-Sorten:
q  u( 4 MeV), d( 8 MeV),s( 100 MeV), c( 1500 MeV), b( 4000 MeV), t(178000 MeV)
Quarks mit Flavour (Strangeness, Charm, Beauty,)
Mesonen : qq
Grundzustände:
(S  0) ; L  0 ; n r  0
J  L  S; Räumliche Parität P  (1)L1; Ladungsparität C  (1)L S
z.B.:
   ud  ; J PC  0 ()
D   cd  ; J P  0 
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Quark-Modell der Hadronen (2)
Mesonen : qq
Angeregte Zustände (Resonanzen):
(S  1) und /oder L  1, 2,   und /oder n r  1, 2,  
z.B. :   ud  und L  0 ; J PC  1()
K *0  ds  und L 1 ; J P  0
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
S  S1  S2  S 3  1 2 , 3 2
L  L1  L2
 0,1, 2,
J  L S
 1 2 , 3 2 , 5 2 ,
P  (1)L1 (1)L2
Grundzustände:
(S  12 ) ; L 1  L 2  L  0 ; n r  0
z.B.:

p  uud  ; J P  1 2
  uds  ; J P  1 2 
 b  udb  ; J P  1 2  (Noch nicht gefunden)
Angeregte Zustände (Resonanzen):
(S  3 2 ) und/oder L1 , L 2 1, 2, , n r  0
z.B.:
  uuu  ; J P  3 2 
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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
Niedere Energien :  (2 GeV) p  
K 0s
 nK     
Hohe Energien : e  (9 GeV) e  (3.1 GeV)  D*sJ (2317)  X
0
 D s
 
 KK
Gesamtprozess berechenbar , kleine Wirkungsquerschnitte
(ELSA /Bonn )
(BaBar /Stanford )
Hadronische Proben
Niedere Energien : p (200 MeV) p  G   0
0 0
  
(LEAR /CERN)
:   (500 GeV) p  D  X
(E791/ Fermilab)
  
K  
Große Wirkungsquerschnitte Hohe Sensitivität auf seltene Zustände
Hohe Energien
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 : 0      (2 Teilchen Zerfall)

m     E   E 
  P
2

 P 
  (Invariante 2  Teilchen Masse)
2
1/2
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (2)
D  KKπ (3-Teilchen)
m KK 
E
K

2 1/2
 E K  E    p K  p K  p  
2
(Invariante 3 Teilchen Masse)
Beispiel : D  , DS  K  K   
 80.000
Signalereignisse
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 00 (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 0 K  K 
Interferenz zwischen
  K  K  : A
und (skalarem) Untergrund : AS
2
A  AS  A  AS  cos   sin  e
2
i 2
(M K  K  )  Streuphase; 90 bei m K  K   1020MeV()
Zusätzlich :
a 0 (980)  K 0 K 
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (1)
Beispiel: BaBar-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: e  (3.1 GeV) e  (9 GeV)  Ds  X
  
 
 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 -Zerfall stammen
– |cos K+(K–)| > 0.5 (Helizitäts-Schnitt; J = 1-System () emittiert (K+(K–)
vornehmlich in/gegen Flugrichtung)



















Optimierung aller
Schnittparameter
durch neuronales
Netz bzw. evolutionären 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, , ‘, KK
M = (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
Kandidaten für exotische Zustände (3)
π1(1400) / π1(1600) (Mesonenartige Zustände mit exotischen Quantenzahlen)
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?
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Kandidaten für exotische Zustände (4)
* (2317) / D (2458)
DsJ
sJ
(Zustände mit Charm und Strangeness
Sehr schmal/Unerklärte Massen)
Erzeugung:
* (2317)+X (BaBar, Cleo, Belle)
e+e–  DsJ
 Dsπ0
e+e–  DsJ(2458)+X (BaBar, Cleo, Belle)
 D*sπ0
? 0+
M = (2316.8 ± 0.4) MeV ;  < 10 MeV ; JP =
? 1+
M = (2458 ± 1) MeV ;  < 10 MeV ; JP =
H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez. 2003
Kandidaten für exotische Zustände (5)
m [GeV/c2]
Exotisch?
– Zustände sehr schmal, obwohl sie nicht die Grundzustände sind
– Massen passen nicht zu Quark-Modell-Vorhersagen
Ds1
D*K
Ds2
Fehlende Zustände mit
im cs-Termschema?
JP
=
DsJ
0+/1+
Ds* DsJ*
D0K
(2458)
(2317)
Ds
0
1
0
1
2
3
JP
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 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) + K0s (SPring 8, ITEP, Jlab, ELSA)
 nK+
? 0
M = (1540 ± 4) MeV ;  < 25 MeV ; 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)
--3/2 (1862), 03/2 (1862) (Schmale Baryon-Zustände, -- mit exot. Q.Z.)
Erzeugung (NA 49/CERN)
p(158GeV/c) p  --(1862) , 0(1862) + X
  -   - +
  M = (1862 ± 2)MeV; <18MeV
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 GeV)
 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