Exotische Hadronen - Ruhr

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, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003
Einleitung (1)
Leptonen
(e, µ, τ, νe, νµ, ντ)
(Nur schwache und e.-m. WW)
—
Hadronen
(p, n, π, K, ···, f2(1270, ···)
(zusätzlich: Starke WW (QCD))
Baryonen (B=1)
Mesonen (B=0)
Massenbereich: 140 MeV(π) - 10 GeV (Υ)
(208Pb-Kern ≈ 200 GeV)
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003
Einleitung (2)
Lebensdauer (Zerfälle)
Proton (938) : τ = ∞ ?
Neutron (940) : τ = 885s
(Schwacher Zerfall)

(")


(")
Grundzustände / Teilchen
(")


(")

(e. − m. Zerfall) 
π + (140)
: τ = 2.6 x10 −8 s
K + ( 494 )
: τ = 1.2 x10 −8 s
D + (1869)
: τ = 1.05 x10 −12 s
B+ (5279)
: τ = 1.67 x10 −12 s
π 0 (135)
: τ = 8.4 x10 −17 s
f2 (1270)
M
M
: τ = 3.5 x10 −24 s / Γ = 185 MeV (Starker Zerfall)

 Angeregte Zustände/Resonanzen


Leichte Hadronen : Wenige Zerfallsmoden ( π + )
Schwere Hadronen : > 100 Zerfallsmoden ( D + )
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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))
144444444444424444444444443
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. :
π + = ud (↑↓) ; J PC = 0 −(+ )
D + = cd (↑↓) ; J P = 0 −
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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. : ρ+ = 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
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Quark-Modell der Hadronen (3)
Mesonen : qq
Besondere Rolle:
Zustände mit verborgenem Flavour (cc, bb)
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Quark-Modell der Hadronen (4)
Baryonen : qqq
S = S1 ⊕ S2 ⊕ S3 = 1 2 , 3 2
L = L1 ⊕ L 2
= 0, 1, 2, ⋅ ⋅ ⋅
J = L⊕S
= 12 , 3 2 , 5 2 , ⋅ ⋅ ⋅
P = (−1)L1 ⋅ (−1)L 2
Grundzustände:
↑↓↑ (S = 1 2 ) ; L1 = L 2 = L = 0 ; n r = 0
z. B. : p = uud (↑↑↓) ; J P = 1 2 +
Λ = uds (↑↑↓) ; J P = 1 2 +
Λ 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 !)
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Exotische Zustände
Mesonen
1. Art
z.B.: I / |S| / |C| / |B| > 1
Baryonen
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)
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003
Are glueballs configurations of colored flux with knots?
L. Faddeev, A. Niemi, U. Wiedner; hep-ph/0308240
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003
A twisted glueball
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003
Erzeugung von Hadronen
Elektromagnetische Proben
Niedere Energien : γ (2 GeV) p → Θ+
K 0s
nK + π + π −
Hohe Energien : e − (9 GeV) e + ( 3.1 GeV) → D*sJ (2317 ) + X
0
D sπ
φπ
K +K −
Gesamtprozess berechenbar, kleine Wirkungsquerschnitte
(ELSA / Bonn )
(BaBar / Stanford )
Hadronische Proben
Niedere Energien : p (200 MeV) p → G + π 0
Hohe Energien
0 0
π π
: π − (500 GeV) p → D ± + X
( LEAR / CERN )
( E 791 / Fermilab)
K −π+ π±
Große Wirkungsquerschnitte → Hohe Sensitivität auf seltene Zustände
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 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 Teilchen Zerfall)
r
r
2
m π + π − = E π + + E π − − Pπ + + Pπ −
{(
) (
)}
2 1/ 2
( Invariante 2 − Teilchen − Masse )
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Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (2)
D → KKπ (3-Teilchen)
{
m KKπ = ( E K + E K + E π )
2
r
r
r 2
− (p K + p K + p π )
Beispiel : D + , DS+ → K + K − π +
}
1/ 2
( Invariante 3 − Teilchen − Masse )
≈ 80.000
Signalereignisse
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Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (3)
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+ ππ0(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)
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Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (4)
Spezielle Darstellung für 3-Teilchen-Zustände : Dalitz Plot
Beispiel : D 0 → K 0 K + K −
Interferenz zwischen
φ → K + K − : Aφ
und (skalarem) Untergrund : AS
2
A = AS + A φ = AS + cos ϑ ⋅ sin ϕ e
2
iϕ 2
ϕ( M K + K − ) = Streuphase ; 90° bei m K + K − = 1020 MeV(φ )
Zusätzlich :
a 0+ (980) → K 0 K +
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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, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 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
Schnitte:
φπ ±
K+K−
– 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 aller
Schnittparameter
durch neuronales
Netz bzw. evolutionären Algorithmus
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Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (3)
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 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, ηη, ηη‘, KK
M = (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
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Kandidaten für exotische Zustände (2)
Suche nach schwereren Glue-Balls
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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)
ηπ–
ηπ–
π–p → π1(1600)p (E835 BNL) und pp → π1(1600)π+ (Crystal Barrel/LEAR)
π– η
π–η
Exotisch?
Exotische JPC-Kombination
Number of events
M ≈ 1400, 1600 MeV ; Γ ≈ 300 MeV ; JPC = 1–+ (Exotische Q.-Z., Nicht vereinbar
mit Quark-Modell)
a2(1320)
π1(1400)
Hybride?
Mehr-Quark-Zustände?
1
2
3
m2πη [GeV2/c4]
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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
Ds π 0
e+e– → DsJ(2458)+X (BaBar, Cleo, Belle)
D*sπ0
? 0+
M = (2316.8 ± 0.4) MeV ; Γ < 10 MeV ; JP =
? 1+
M = (2458 ± 1) MeV ; Γ < 10 MeV ; JP =
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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
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Kandidaten für exotische Zustände (6)
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
New State
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)
Θ+ (1540) (Schmaler Baryonenzustand mit Strangeness +1)
Erzeugung:
γp → Θ+(1540) + K0s (SPring 8, ITEP, Jlab, ELSA)
nK+
? 0
M = (1540 ± 4 MeV) ; Γ < 25 MeV ; I =
Exotisch?
– Baryon mit Strangeness +1
– Kleine Breite
Mitglied eines Anti-Dekupletts (Soliton-Modell für Baryonen (Polyakov, Goeke, ···))?
Mehr (Penta)-Quark-Zustand (uudds)?
Chiraler Zustand?
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 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, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003
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 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, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003
High Energy Storage Ring and Detector Concept
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003
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.
H. Koch, Ruhr-Universität Bochum, Kolloquium 20. Okt. 2003