Physik an Crystal-Barrel@ELSA

Baryon Spektroskopie

Vor 50 Jahren wurden die zu der Zeit bekannten Baryonen, die Protonen und Neutronen, als Elementarteilchen betrachtet. Mit den kommenden Jahren wurde ein Spektrum baryonischer Resonanzen entdeckt. In der Optik liefert das Anregungsspektrum eines Atoms Informationen über die Struktur des Atoms, ebenso lassen sich aus den Anregungsspektren der Protonen und Neutronen Schlüsse auf die innere Struktur der Nukleonen ziehen.

Eins der Probleme bei der Untersuchung der inneren Struktur der Nukleonen ist, das keine exakte Theorie der starken Wechselwirkung im Energiebereich existiert, in dem sich die Hadronen bilden. In großen und sehr kleinen Energien kann die starke Wechselwirkung störungstheoretisch beschrieben werden: Für größe Impulsüberträge Q² ist die Kopplungskonstante klein, so dass die Wechselwirkung ähnlich der elektromagnetischen Wechselwirkung störungstheoretisch betrachtet werden kann. Bei kleinen Energien, bei der die Kopplungskonstante groß ist, stellt die chirale Störungstheorie ein Mittel zur Beschreibung der Wechselwirkung dar, bei der die Impulse und die chiralen Symmetrie störungtheoretisch beschrieben werden. Im zwischenliegenden Bereich, in dem die Hadronenphysik Untersuchungen durchführt, ist α_s in der Größenordnung  von 1, so dass ein störungstheoretische Behandlung nicht möglich ist.

 

In den Jahren haben Theoretiker verschiedene Modelle der Nukleonen entwickelt. Ein vielversprechender Ansatz ist die Beschreibung der Baryonen als System von sogenannten Konstituentenquarks. Im diesem Bild werden die Nukleonen beschrieben durch drei Konstituentenquarks, welche sich in einem begrenzten Potential bewegen und einer Restwechselwirkung unterliegen. Diese Konstituentenquarks bestehen aus 'nackten' Quarks, die verantwortlich sind für die Eigenschaften der Konstituentenquarks und die Effekte die diese Quarks auf das umgebende Vakuum haben. Aufgrund der Selbstwechselwirkung der Gluonen und der Nichtabschirmbarkeit der Farbladung erhält man ein Objekt aus 'nackten' Quarks innerhalb einer Gluonenwolke und zusätzliche Quark-Antiquark-Paare, welche aus dem Vakuum generiert werden (See-Quarks). Die Masse der Baryonen besteht haupsächlich aus der Wechselwirkung. Das Konstituentenquark ist eine Art von Kontainer für ein QCD-Quark, wie es unten abgebildet ist: Die 'nackten' Quarklinien sind umgeben von Emissionen von Gluonen und Generationen von Quark-Antiquark-Paaren. Die Restwechselwirkung findet zwischen zwei Quarklinien statt.

 

 

Der Unterschied zwischen den verschiedenen Konstituentenquarkmodellen ist die Behandlung der Restwechselwirkung zwischen den Konstituenten (z.B. Bonn Modell: Instanton induzierte Kraft).

Betrachtet man das Proton oder Neutron als aufgebaut aus drei Konstituentenquarks, so wird die Methode der Baryon-Spektroskopie deutlich: man hebt eins der Quarks in einen angeregten Zustand und beobachtet den Zerfall des angeregten Systems. Für die Anregung werden Photonen verwendet, so dass die Reaktion mit der elektromagnetischen Wechselwirkung stattfindet damit das Experiment unabhängig der Kopplungen der hadronischen Kanäle ist. Im Endzustand beobachtet man ein Proton und eine Anzahl von Photonen aus dem Zerfall des (neutralen) Mesons. Diese Photonen können rückwärts zu diesen Mesonen kombiniert werden. Untersuchungen der Winkelabhängigkeiten der Endzustände erlauben Schlussfolgerungen über  die Eigenschaften des Zwischenzustands des Nukleons oder Δ-Resonanzen, in die man interessiert ist, γp -> N^* (Δ^*) -> pX, wobei X für die Anzahl der Mesonen oder Photonen steht.

Fehlende Resonanzen (missing resonances)

Das Baryonen-Sprektrum wurde in verschiedenen Reaktionen untersucht, z.B. NN und πN. γN wurde bis jetzt nur in wenigen Experimenten in geringem Maße untersucht. Es wird erwartet, dass hier Resonazen auftauchen, die bis jetzt noch nicht beobachtet wurden. Die Abdeckung des gesamten Winkelbereichs und der Resonanzregionen mit Daten ist immernoch unvollständig, daher existiert ein großes Untersuchungspotential für das Crystal-Barrel-Experiment an ELSA. Die experimentellen Ergebnisse, welche zusammengefasst bei der Particle Data Group gefunden werden können, stimmen gut mit den Vorhersagen der Modelle in der unteren Massenregion des Spektrums überein. Bei größeren Massen finden sich Diskrepanzen: Experimente haben nicht so viele Resonanzen gefunden, wie vorhergesagt wurden.

 

 

Es gibt immernoch offene Probleme im Spektrum, für die es verschiedene Erklährungsversuche gibt:

• Baryonen könnten weniger interne Freiheitsgrade besitzen, als in den Quark-Modellen vorhergesagt wurde. Sie könnten z.B. aus einem Diquark (gebundenes System von zwei Quarks) bestehen, welches mit dem dritten Quark koppelt um das Teilchen zu bilden.
  
  
• Die Kopplungen der unentdeckten Zustände könnten im Vergleich zu den untersuchten Zuständen klein sein, so dass sie im entsprechenden Kanal nicht beobachtbar oder versteckt unter stärkeren Beiträgen sein könnten.
• Vorallem in den letzten Jahren wurden Möglichkeiten von komplexeren baryonischen Strukturen, wie Pentaquarks mit exotischen Quantenzahlen, die nicht durch einen drei Quark-Zustand erreicht werden können, diskutiert. Solche Zustände könnten durch Modelle beschrieben werden, die auf dem sogenannten chiralen Solitonmodell basieren oder mit fünf oder mehr Konstituentenquarks rechnen.

Auf jeden Fall kann eine genaue Untersuchung anderer Kanäle als πN mehr Informationen über Kopplungen und - je nachdem ob neue Zustände gefunden werden - die innere Struktur der Nukleonen liefern.