Hadronenspektroskopie

Suche nach gluonischen Anregungen

Eine der größten Herausforderungen der Hadronenspektroskopie ist die Suche nach gebundenen Zuständen mit gluonischen Freiheitsgraden, also Hadronen in denen Gluonen als Hauptkompomenten betrachtet werden müssen. Dabei wird im wesentlichen zwischen zwei Kategorien von Hadronen unterschieden: Gluonen können nur mit Hilfe von Gluonen als Hauptkomponenten vollständig beschrieben werden, also völlig ohne Quarks, wohingegen zur Beschreibung der Hybride sowohl Quarks und Antiquarks (wie bei gewöhnlichen Hadronen) als auch mindestens ein Gluon als Hauptkomponenten erforderlich sind.

Durch die zusätzlichen Freiheitsgrade durch die Gluonen als Hauptkomponenten, sind Zustände möglich, die eine Kombination von Quantenzahlen aufweisen, die für gewöhnliche Hadronen unmöglich ist. In diesem Fall ist es leicht einen ungewöhnlichen Zustand zu erkennen. Die Eigenschaften solcher gluonische angeregten  Hadronen werden durch langreichweitige Eigenschaften der starken Wechselwirkung bestimmt und ihre Untersuchung ermöglicht daher tiefe Einblicke in die Natur der starken Kraft. Im Gegensatz zu Beschleuniger-Experimenten bei denen Protonen aufeinander geschossen werden, und es nicht möglich ist eine Resonanz direkt zu erzeugen, oder Beschleuniger-Experimenten, bei denen Elektronen und Positron aufeinander geschossen werden, die nur elektromagnetisch wechselwirken und zunächst ein virtuelles Photon mit einer bestimmten Quantenzahl-Kombinationen erzeugt wird, ist es beim PANDA-Experiment möglich Resonanzen mit verschiedensten Quantenzahlkombinationen direkt zu erzeugen und so in kurzer Zeit eine hohe Statistik interessanter Daten zu erhalten und somit aussagekräftige Schlüsse zu ziehen. 

Charmonium-Spektroskopie

Charmonium bezeichnet gebundene Zustände aus einem charm-Quark und dem entsprechenden Antiquark. Im Vergleich zu up- und down-Quarks aus denen Nukleonen zusammengesetzt sind, haben charm-Quarks eine um ein Vielfaches größere Masse. Da verschiedene Ausrichtungen der Quark-Spins möglich sind und diese sich mit verschiedenen Bahndrehimpulsen in verschiedenen Abständen (radiale Anregung) umeinander drehen können, ergibt sich ein Spektrum der verschiedenen Anregungszustände. Durch die verhältnismäßig große Masse ergibt sich ein kleinerer Abstand zwischen dem Quark und dem Antiquark und eine niedrigere Bewegungsenergie und das Spektrum kann durch nicht-relativistische Potentialmodelle (EFT, LQCD) beschrieben werden. In dem Massenbereich, wo es aus energetischen Gründen nicht möglich ist, dass ein Charmonium Meson durch die Erzeugung eines Quark-Antiquark-Paares in D-Mesonen (Mesonen mit einem charm-Quark und einem leichteren Antiquark oder umgekehrt) zerfallen kann (DD-Schwelle), sind zwar alle Charmonium-Resonanzen bekannt, aber vor allem die Kenntnisse über Resonanzen, deren Quantenzahl-Kombination keinem virtuellen Photon entspricht und die daher bis dato nur indirekt erzeugt werden können, sind zum Teil (Breite und Zerfallskanäle von h_c und eta_c(2S)) noch sehr vage. Oberhalb dieses Energiebereichs stellt sich eine ganz andere Situation dar. Auf der einen Seite sind nicht alle der erwarteten (D- und F-) Anregungszustände gefunden worden und auf der anderen Seite sind in den letzten Jahren etliche unerwartete Anregungszsutände (X, Y, Z) entdeckt werden deren Natur noch zu klären ist.

Bei voller Luminosität wird der PANDA-Detektor etliche Tausend Charmonium-Zustände am Tag messen können. Mithilfe eines Energiescans, bei dem der Beschleuniger nacheinander präzise auf verschiedene nahe beieinander gelegene Strahlimpulse eingestellt wird, wird es möglich sein anhand der jeweils gemessenen Intensitäten die Masse von Resonanzen mit einer Genauigket in der Größenordnung von 100 keV zu messen! Das PANDA-Experiment wird den gesamten Energiebereich sowohl unter- als auch oberhalb der DD-Schwelle untersuchen, um die noch fehlenden Anregungszustände zu finden und die Natur der X-, Y-, und Z-Zustände aufzuklären.

 

D-Meson-Spektroskopie

Die neusten Entdeckungen im Bereich der D-Mesonen an den Experimenten BaBar, Belle und CLEO haben sowohl in der theoretischen als auch in der experimentellen Gemeinschaft viel Beachtung gefunden, da sie im Gegensatz zu den bis dato bekannten D-Mesonen nicht zu den Erwartungen für ein System aus einem leichten und einem schweren Quark passen. Die Zerfallsbreiten der verschiedenen D-Mesonen (insbesondere des D_s) bieten ein gutes Kriterium, um verschiedene theoretische Modelle ausschließen oder bestätigen zu können. 

Bislang sind nur obere Grenzen von einigen MeV bekannt, die von Detektorauflösung bestimmt werden. Dank der hervorragenden Strahlschärfe des HESR-Strahls wird es mit dem PANDA-Experiment möglich sein diese Werte mit einer Genauigkeit im Bereich von 100 keV zu bestimmen.

 

Baryon-Spektroskopie

Das Spektrum der Baryonen (Hadronen aus drei Quarks wie auch die Nukleonen) zu verstehen ist eines der vorrangigsten Ziele der nicht-pertubativen QCD. Bereits im Bereich der Nukleonen, wo die meisten experimentellen Daten zur Verfügung stehen, ist die Überinstimmung mit Vorhersagen der Quark-Modells überraschend gering und im Bereich der Baryonen, die auch ein strange-Quark enthalten, gibt es noch größere Diskrepanzen. Das PANDA-Experiment ist hervorragend für ein umfassendes Baryon-Spektroskopie-Programm geeignet, insbesondere für die Spektroskopie von Baryonen die auch strange- oder charm-Quarks beinhalten.