Wiederherstellung der Chiralität für angeregte Hadronen

Quantenchromodynamik (QCD) ist die fundamentale Theorie derjenigen Wechselwirkungen, die für die Struktur der stark wechselwirkenden Teilchen - der Hadronen - als auch für die Kernkraft verantwortlich ist. Die Elemente der Theorie sind Quarks und Gluonen, die Bausteine aller Hadronen. Die Massen der leichtesten Quarks (up- und down-Quarks) sind sehr klein und können in guter Näherung vernachlässigt werden. In diesem Grenzfall hat die Theorie eine Symmetrie, die so genannte "Chirale Symmetrie". Diese Symmetrie ist spontan gebrochen, das vielleicht interessanteste Phänomen, welches die Physik und Eigenschaften der leichteren Hadronen bestimmt. Die andere wichtige Eigenschaft der QCD ist Confinement. Dies bedeutet, dass Quarks und Gluonen nicht als freie Teilchen beobachtet werden können. Das letzte Ziel der QCD ist es, beides zu erklären: Confinement und die spontane Symmetriebrechung und deren Wechselbeziehung. Für die Hadronen höherer Masse ist Confinement eine entscheidende Eigenschaft. Es stellt sich nun die Frage, was die Rolle der chiralen Symmetrie und ihrer spontanen Brechung für diese angeregten Hadronen ist? Kürzlich wurde vorgeschlagen, dass die chirale Symmetrie in diesem Bereich näherungsweise wiederhergestellt wird. Diese Vorstellung wird sowohl durch theoretische Argumente als auch durch das Experiment unterstützt. Falls dieser Ansatz richtig ist, so erlaubt er es, die Eigenschaften hoch- angeregter Hadronen mit der Symmetrie der fundamentalen Theorie in Beziehung zu setzen. Dieses Phänomen soll sorgfältig untersucht werden. Aus einem mikroskopischen Verständnis heraus sollen Mechanismen der chiralen Symmetriebrechung und deren Wiederherstellung in angeregten Hadronen identifiziert und in Beziehung mit Confinement gesetzt werden können.

Hadronen, beispielsweise Protonen und Neutronen, sowie deren angeregte Zustände sind aus Quarks und Gluonen aufgebaut. Eine fundamentale Theorie, welche die Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen beschreibt - die Quanten Chromodynamik (QCD) - ist für Struktur, Massen und andere Charakteristiken der Hadronen verantwortlich. Zwei grundlegende Eigenschaften der QCD sind für alle Observablen verantwortlich: Confinement und spontane (dynamische) Brechung der chiralen Symmetrie. Es wird allgemein angenommen, dass die dynamische chirale Symmetriebrechung starken Einfluss auf die Grundzustandsmassen der Hadronen hat. Ein Hauptergebnis dieses Projekts ist die Schlussfolgerung, dass dies für hochangeregte Hadronen aller Wahrscheinlichkeit nach nicht der Fall ist. Dies bedeutet, dass die Mechanismen der Massenerzeugung für Hadronen im Grunzustand und in angeregten Zuständen grundlegend verschieden sind. Der Großteil der Masse der hochangeregten Hadronen entsteht durch chiral invariante Dynamik. Solch eine Schlussfolgerung basiert auf systematischen spektroskopischen Schemata und Zerfallseigenschaften von Hadronen, die experimentell beobachtet wurden. Ein mikroskopischer Mechanismus, der dem vorgeschlagenen Phänomen zugrunde liegen könnte, wurde ausgearbeitet. Die durchgeführte Forschungsarbeit hat direkten Einfluss auf gegenwärtige und zukünftige experimentelle Programme an weltführenden Laboratorien, die angeregte Zustände von Hadronen untersuchen. Falls die Masse von hochangeregten Hadronen durch chiral invariante Dynamik erzeugt werden kann, so ist es möglich, dass bei niedrigen Temperaturen und hohen Dichten ein neuer Aggregatszustand auftritt: eine chrial symmetrische Phase mit Confinement. Bisher nahm man an, dass eine solche Phase unmöglich wäre. Unter der Annahme, dass ein mikroskopischer Mechanismus, der zur Restaurierung der chiralen Symmetrie in hochangeregten Hadronen führt, existiert war es möglich zu zeigen, dass dies nicht so ist. Tatsächlich kann eine chiral symmetrische aber confinierte Phase bei kleinen Temperaturen und hohen Dichten existieren. Dies würde unsere Sichtweise des QCD Phasendiagramms radikal verändern. Eine solche Phase könnte Einfluss auf die Dynamik von Neutronensternen und andere astrophysikalische Phänomene haben. Diese Schlussfolgerung ist von entscheidender Wichtigkeit für zukünftige experimentelle Programme an allen Schwerionenanlagen weltweit.