Charmoniumspektroskopie

Charmoniumspektroskopie
Christoph Bechler
21. November 06
Gliederung
●
●
●
Theoretische Grundlagen
(Charmonium-System, Potential-Modell,
Energieniveauschema, Zerfälle)
Erzeugung und Spektroskopie von Charmonium
(Historisch)
Aktuelle Experimente
(neue Charmonium-Zustände)
Das Charmonium-System
Charmonium
●
●
●
●
●
Positronium
Meson
c c- -Paar
●
Gebunden durch starke Wechselwirkung
●
=> theoretische Beschreibung durch
QCD
Masse System: 3-4 GeV/c²
Masse c-Quark: 1300-1700 Mev/c²
●
●
e+e--Paar
Gebunden durch em - Wechselwirkung
=> theoretische Beschreibung durch
QED
Masse System: 1-2 MeV/c²
Masse e:
511 kEV/c²
●
Typ. Abstand: 0.4 fm
●
Typ. Abstand:
●
Geringe Energien => Modelle nötig
●
Theorie gut verstanden
fm
Spektroskopie
Zielsetzung:
●
Überprüfung der Vorhersagen von theoretischen Modellen
●
Suche nach neuen Zustände
●
besseres Verständnis der QCD (bei niedrigen Energien)
Wichtige Quantenzahlen:
Hauptquantenzahl
n
(anders als in Atomphysik ist n=N+1, N = radiale Knoten)
Bahndrehimpuls
L
Gesamtspin
S
(0 Singulett oder 1 Triplett)
Gesamtdrehimpuls
J
|L-S| ≤ J ≤ |L+S|
Nomenklatur der Zustände
Schema:
Bezeichnung für L
analog Atomphysik:
S
-
L=0
P
-
L=1
D
-
L=2
F
-
L=3
PDG 2006
Energieniveauschema
Quark-Antiquark-Potential
Ähnlichkeiten in der Niveaustruktur von Positronium (QED) und Charmonium (QCD)
H |ψ⟩ = E |ψ⟩
mit H=H0+V ↳Massen
=> z.B. Modell von S. Godfrey und N. Isgur (1985):
V = Vconf + VLS + VSS
mit
=>
analog QED
confinement
αs wird kleiner bei kleinen r
Anteil aus Bahndrehimpuls-Spin-WW:
Anteil aus Spin-Spin-WW:
Zerfallskanäle
I) Radiative Zerfälle
z.B.
(Abregung durch Photonenemission)
II) Quark-Antiquark-Vernichtung
z.B.
} 70%
}30%
(e+ e-, µ+ µ-)
III) Zerfall in charmhaltige Mesonen
Anlagerung von leichten qq-Paaren
„aus dem Vakuum“
starke WW => hohe Zerfallswahrscheinlichkeit
=> geringe Lebensdauer => große Linienbreite
aber erst ab Überschreiten der
-Massenschwelle
z.B.
Γ(ψ(3770)) = 23 MeV
IV) Schwacher Zerfall eines oder beider
Quarks
z.B.
vernachlässigbar
Erzeugung von Charmonium
●
Historisch:
1974 Entdeckung von J/ψ am SLAC
(Stanford) durch e+e- -Kollision
Schwerpunktsenergie 3- 4.5 GeV
Resonanz bei 3.1 GeV beobachtet
●
●
●
Parallel am AGS (Brookhaven) entdeckt
duch: p + Be → J/ψ + Hadronen → e+eHeute für J/ψ:
m = (3096.916 ± 0.011) MeV/c²
Γ = (93.4 ± 2.1) keV/c²
Virtuelles Photon => nur Zustände mit
Quantenzahlen des Photons möglich:
SLAC
Breite der Linien durch exp. Auflösung dominiert
Wahre Breite aus:
Breit-Wigner-Formel
Für s = s = ½ und J = 1 liefert Intergration über E:
Verzweigungsverhältnis gemessen zu:
= 0.07
=> Unerwartet schmale Linien (Γ = 0.067 MeV)
Erklärung: Zerfall über starke WW ist unterdrückt
(Zweig-Regel) => Zerfall über em-WW relevant mit
größerer Lebensdauer
Bestimmung des Isospins
Zerfall in Mesonen:
Isospin des Charmoniums I = Isospin von z.B. ρ0π0
=> 0 ≤ I ≤ 2
Clebsch-Gordan-Koeffizienten (C):
also I = 0, 1, 2
Iz=0 (additiv)
Messung:
Zerfallswahrscheinlichkeit ~ ⟨ψ|Mif|ψ⟩2 ~ C2
I = 2:
2/3
1/6
1/6
I = 1:
1/2
0
1/2
I = 0:
1/3
1/3
1/3
Weitere Zustände
e+e- → Hadronen + Leptonen
Übergänge durch Photonenemission
●
●
●
●
Detektion der Photonen in
„Crystal Ball“ mit Photomultipiern => Nachweis
der Charm.-Zustände
Scharfe Linien: elektr.
Dipolübergänge mit ΔL=1;
ΔS=0
Schwache Linien: magnet.
Dipolübergänge ΔL=0;
ΔS=1 (Spinflip)
Grundzustand
nur
über magnet. Dipolüberg.
Suche nach hc (1P) Charmonium-Zustand
Erzeugung:
Cornell Elektron Storage Ring (CESR)
Detektiert mit CLEO-Detekor
Erzeugung des ψ(2S)-Zustandes durch e+e--Kollision,
(3.08 . 106 Ereignisse aufgezeichnet) anschließender
Zerfall durch Hadronenbildung:
Nachweis über die weiteren Zerfälle:
7 hadr. Zerfallsmoden, Nachweis
geladener und neutraler Teilchen
Masse des ψ(2S) sehr genau bekannt (Fehler o(10-5))
Viererimpuls im Schwerpunktsystem:
vorher:
nachher:
Es gilt:
mit
folgt:
wobei
=> m(hc) = (3524.4 ± 0.7 ± 0.4) MeV/c²
π0
γ
θ
γ
Messung von
Δ = (-1 ± 0.6 ± 0.4) MeV/c²
Potentialmodelle: Δ ≈ 0 MeV/c²
=> Confinementpotential
vermutlich rein skalares Potential
ergibt:
hc
χc2
χSP
χc1
χc0
Charmonium im B-Meson-Zerfall
BaBar Experiment am SLAC:
Schwerpunktsenergie 10,58 GeV
ϒ(4S)
Ereignisse:
_
6
Babar: 420 .10 B _
B
6
Belle: 730.10 B B
}
}
Zerfall der B-Mesonen erzeugt c-Quarks:
}
}
z.B. J/ψ
und andere
O(10-3) wegen
9
schwacher6WW
Insgesamt: => 420.000 aus B-Zerfall erzeugte J/ψ
Zerfallsmoden:
↳
↳
=> M(X(3872)) = (3871.2 ± 0.5) MeV/c²
Exp. Auflösung etwa 5 MeV
Schmaler Zustand.
Erwartete
_ Linienbreite viel größer, da Zustand
über DD-Schwelle.
Verglichen mit ψ(3770): Γ = 24 MeV
Quantenzahlen vermutlich I = 0, JPC = 1++
Vergleich Experiment-Theorie
Theoretische Werte nach Godfrey-Isgur-Modell
_
Unterhalb der DD-Massenschwelle
gute Übereinstimmung
Oberhalb der Schwelle Übereinstimmung
schlechter
=> Änderungen des Modells nötig?
Differenz zur vorhergesagten Masse des nächsten
Niveaus: M(χc1(2P))-M(X(3872)) = 82 MeV/c²,
Linienbreite 10mal kleiner als erwartet
=> Charmoniumzustand ?
Eventuell
Hybrid (c c- g)
_
oder D0D0*-Molekül
Bindungsenergie:
ΔE = (mD + mD* - mX)c²
= (2007 + 1864.5 – 3871.2) = 0.3 MeV
Zusammenfassung
●
●
●
●
●
Potential-Modelle nötig für QCD bei niedrigen Energien
Ansatz: Analogien zur QED (Positronium) welche gut
verstanden ist
Gute Übereinstimmung des gemessenen Spektrums mit
dem Modell bei niedrigen Hauptquantenzahlen
Abweichungen bei höheren n
Überraschend schmaler und leichter Zustand X(3872)
gefunden => Hinweis auf exotische Materie?
Literatur
●
●
●
●
●
●
S. Godfrey, N. Isgur, Mesons In A Relativized Quark Model With
Chromodynamics, Phys.Rev.D32, 1985
CLEO Collaboration (P. Rubin et al.), Observation of the P(1)-1 state of
charmonium, Phys.Rev.D72:092004,2005
E. S. Swanson, New Heay Mesons: A Staus Report, hep-ex/0601110v1
BABAR Collaboration (B. Aubert et al.), Study of J/psi pi+ pi- states
produced in B0 ---> J / psi pi+ pi- K0 and B- ---> J / psi pi+ pi- K-,
Phys.Rev.D73:011101,2006
B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche: Teilchen und Kerne, 2004, 6.
Auflage, Springer-Verlag
Perkins, Donald H.: Hochenergiephysik, 1991, Addison-Wesley