Von skalaren Resonanzen zum leichtesten Glueball - Hadronische ψ(2S)-Zerfälle an BESIII

• Antragsteller: Professor Dr. Alfons Khoukaz
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547123630

Die starke Wechselwirkung vermittelt eine der vier fundamentalen Kräfte im Universum und ist sowohl für den Großteil der Masse der sichtbaren Materie im Makrokosmos als auch für den Zusammenhalt der kleinsten Teilchen im Mikrokosmos verantwortlich, weshalb sie insbesondere in der modernen Teilchenphysik eine zentrale Rolle spielt. Theoretisch beschrieben wird sie durch die Quantenchromodynamik (QCD), welche die Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen beschreibt. Eine der grundlegendsten Vorhersagen der QCD sind Glueballs, exotische Teilchen, welche nur aus gebundenen Gluonen bestehen. Während die Eigenschaften des leichtesten Glueballs seitens der Theorie bereits mit hoher Präzision berechnet wurden, konnte dieser auch mehr als 50 Jahre nach seiner Postulierung nicht zweifelsfrei experimentell nachgewiesen werden. Um dieses hochaktuelle Problem zu lösen, sollen im Rahmen dieses Forschungsprojektes als vielversprechendste Kandidaten für den leichtesten Glueball die Teilchen f0(1370), f0(1500) und f0(1710) untersucht werden. Ihre innere Struktur wird bis heute äußerst kontrovers diskutiert. So ist nicht nur einer dieser Zustände überzählig im Nonett der skalaren Mesonen, sondern sie besitzen zudem die gleichen Quantenzahlen und ähnliche Massen wie sie für den leichtesten Glueball vorhergesagt werden. Daher wird angenommen, dass entweder einer dieser Zustände der gesuchte Glueball selbst ist oder die f0-Zustände zusätzlich zu möglichen Quark-Antiquark-Strukturen auch Beimischungen des Glueballs enthalten. Allerdings ist eine eindeutige Bestimmung ihrer inneren Struktur aufgrund ihrer zum Teil unpräzisen oder gänzlich unbekannten physikalischen Eigenschaften nach dem derzeitigen Stand der Forschung noch nicht möglich. Daher sollen in diesem Projekt die acht relevantesten und größtenteils noch unbestimmten hadronischen Zerfallskanäle der f0-Zustände analysiert werden. Unter Verwendung des mit 2,7 Milliarden Ereignissen weltweit größten psi(2S)-Datensatzes der BESIII-Kollaboration sollen dazu Zerfälle des psi(2S)-Charmoniums untersucht werden, in denen die f0-Zustände in Kombination mit einem phi- oder omega-Vektormeson produziert wurden. Die Vektormesonen dienen hierbei als eleganter Filter für die Quarkzusammensetzung der f0-Zustände. Eine entscheidende Besonderheit dieses Projektes wird die simultane Beschreibung aller betrachteten f0-Zerfallskanäle durch ein vollständig analytisches und unitäres Partialwellenmodell sein. Dieser geschickte Ansatz erlaubt es, die physikalischen Eigenschaften der f0-Zustände mit bisher unerreichter Genauigkeit und völlig unabhängig von bisherigen Analysen zu bestimmen. Über diese Eigenschaften kann anschließend unter Verwendung theoretischer Modelle ihre innere Struktur entschlüsselt werden. Die Ergebnisse dieses Projektes werden somit einen essenziellen Beitrag zur Beantwortung der faszinierenden Frage nach der wahren Natur der f0-Zustände leisten und daher maßgeblich zur Identifikation des leichtesten Glueballs beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen