H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez 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 Einleitung (1) Leptonen Hadronen (e,,, e,, ) (p, n,, K, ···, f 2 (1270, ···) (Nur schwache und e.-m. WW) (zusätzlich: Starke WW (QCD)) Baryonen (B=1) Mesonen (B=0) Massenbereich: 140 MeV(π) - 10 GeV ( ) ( 208 Pb-Kern 200 GeV)

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Einleitung (2) Lebensdauer (Zerfälle)

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Quark-Modell der Hadronen (1) Quark-Sorten: Grundzustände: Mesonen : qq

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Quark-Modell der Hadronen (2) 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 Quark-Modell der Hadronen (3) Besondere Rolle: Zustände mit verborgenem Flavour (cc, bb) Mesonen : qq

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Quark-Modell der Hadronen (4) Grundzustände: Angeregte Zustände (Resonanzen): Baryonen : qqq

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Quark-Modell der Hadronen (5) 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 !) Baryonen : qqq

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Exotische Zustände Mesonen Baryonen 1. Art z.B.: I / |S| / |C| / |B| > 1 z.B.: I > 3/2, S > 0, C 0 2. Art J PC = 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 Erzeugung von Hadronen Elektromagnetische Proben Hadronische Proben

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (1) Masse/Lebensdauer: Langlebige Teilchen (Protonen, Pionen, ··· ): Ablenkung und Laufzeiten in kombinierten elektr./magn. Feldern Kurzlebige Teilchen/Resonanzen (f 2 (1270), ++, ··· ): Invariantes Massenspektrum der Zerfallsprodukte

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (2) D KKπ (3-Teilchen) Signal- ereignisse

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (3) Spin Parität (J P ): Langlebige Teilchen (Proton, Neutron,, Antiproton, ···): Ablenkung im inhomogen B-Feld, Rotation im homogenen B-Feld, Exot. Atome Resonanzen: Winkelverteilung der Zerfallsteilchen Beispiel: D ( ) ( 0 ) werden isotrop emittiert Aber: Vorzugsrichtung von + ( - )relativ zur 0 -Richtung Grund: 0 ist polarisiert I π + ( ) cos 2 ( ), Charakteristisch für J=1 Zwischenzustand ( 0 )

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Bestimmung der Eigenschaften von Hadronen (4) Spezielle Darstellung für 3-Teilchen-Zustände : Dalitz Plot Interferenz zwischen

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (1) Beispiel: BaBar-Detektor / SLAC/Stanford KanäleImpulse, 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

Experimente/Datenauswertung in der Hadron-Spektroskopie (2) Beispiel: Analyse der Daten (10 9 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 aller Schnittparameter durch neuronales Netz bzw. evolutio- nären Algorithmus

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 Kandidaten für exotische Zustände (1) f 0 (1500) (Bester Kandidat für den Glueball-Grundzustand) Erzeugung : pp f 0 (1500)π 0 (Crystal Barrel/LEAR) Zerfälle : f 0 (1500) 2π, 4π,,, KK M = (1505 ± 9) MeV ; = (111 ± 12) MeV ; J PC = 0 ++ Exotisch? – Überzählig in 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 Kandidaten für exotische Zustände (2) Suche nach schwereren Glue-Balls

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Erzeugung/Zerfälle : π – p π 1 (1400)p (E835/BNL) und pn π 1 (1400)π 0 (Crystal Barrel/LEAR) π – π – π – p π 1 (1600)p (E835 BNL) und pp π 1 (1600)π + (Crystal Barrel/LEAR) π – π – M 1400, 1600 MeV ; 300 MeV ; J PC = 1 –+ (Exotische Q.-Z., Nicht vereinbar mit Quark-Modell) Exotisch? Exotische J PC -Kombination Hybride? Mehr-Quark-Zustände? Kandidaten für exotische Zustände (3) π 1 (1400) / π 1 (1600) (Mesonenartige Zustände mit exotischen Quantenzahlen)

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Kandidaten für exotische Zustände (4) D sJ (2317) / D sJ (2458) e + e – D sJ (2317)+X (BaBar, Cleo, Belle) D s π 0 e + e – D sJ (2458)+X (BaBar, Cleo, Belle) D s π 0 M = ( ± 0.4) MeV ; < 10 MeV ; J P 0 + M = (2458 ± 1) MeV ; < 10 MeV ; J P 1 + * ? = ? = Erzeugung: (Zustände mit Charm und Strangeness Sehr schmal/Unerklärte Massen) * *

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez 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 DsDs Ds*Ds* D sJ * (2317) D s1 m [GeV/c 2 ] D0KD0K D*K D sJ (2458) D s2 JPJP Fehlende Zustände mit J P = 0 + /1 + im cs-Termschema?

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez 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 = ± 0.7 MeV ; < 3.5 MeV Exotisch? – Zustand aussergewöhnlich schmal – Eigenschaften nicht kompatibel mit cc(1 3 D 2 )-Zustand D 0 D* 0 -Molekül? Suche nach weiteren schmalen Zuständen im Gange

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez Kandidaten für exotische Zustände (7) + (1540) (Schmaler Baryonenzustand mit Strangeness +1) Erzeugung: p + (1540) + K 0 (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 Kandidaten für exotische Zustände (8) Erzeugung (NA 49/CERN) p(158GeV/c) p -- (1862), 0 (1862) + X M = (1862 ± 2)MeV; <18MeV Ebenso gesehen: Antiteilchen -- (1862), 0 (1862) (Schmale Baryon-Zustände, -- mit exot. Q.Z.) 3/2 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 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 Physics Rare Isotope Beams

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez 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 innerhalb von Kernmaterie, CP-Verletzung, ···) Antiproton-Speicherring (HESR) Teil des GSI Ausbau-Programms ( 2010)

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez High Energy Storage Ring and Detector Concept

H. Koch, Kolloquium Eberhard Karls Universität Tübingen, 10. Dez 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.