Hadronen mit Beauty und Charme und deren Zerfälle

Sämtliche Elementarteilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen und (auch) als freie Systeme beobachtbar sind, werden unter dem Begriff "Hadronen" zusammengefaßt. Hadronen, unter deren Subkomponenten sich u. a. ein (vergleichsweise schweres) b- oder c-Quark, nicht aber das entsprechende Antiteilchen befindet und die aus diesem Grund nichtverschwindende Werte der Quantenzahlen "Beauty" und "Charm" tragen, stehen seit geraumer Zeit weltweit aus verschiedensten Gründen im Zentrum der Interesses sowohl theoretischer als auch experimenteller Forschungen: Zum einen gestatten experimentelle Untersuchungen derartiger Hadronen sowohl die Überprüfung der sog. "Standardtheorie" der Elementarteilchenphysik als auch die erhoffte Entdeckung über diese Standardtheorie hinausgehender vermuteter "neuer Physik". Zum anderen ermöglichen diese Teilchen das Studium von Effekten der Quantenchromodynamik (QCD) in aus schweren und leichten Quarks bestehenden Systemen. Die Hauptschwierigkeit jedweder theoretischer Beschreibung solcher Systeme besteht in der Behandlung der für die Bildung wie auch alle Eigenschaften dieser Bindungszustände verantwortlichen nicht-störungstheoretischen QCD-Effekte. Die QCD - als relativistische Quantenfeldtheorie - beschreibt alle Hadronen auf dem als fundamental angenommenen Niveau der Quarks und Gluonen als Freiheitsgrade der Theorie; demgegenüber werden in der Natur lediglich Hadronen - also "farbneutrale" Bindungszustände dieser Quarks und Gluonen - beobachtet, was auch der Begriff des "Confinements" aller Farbfreiheitsgrade zum Ausdruck bringt. Ein innovativer Zug des Projekts ist die Kombination zweier vielversprechender Zugänge zur nicht- störungstheoretischen QCD, nämlich des relativistischen Quarkmodells und der Methode der QCD-Summenregeln. Dies versetzt uns in die Lage, diese schwierige Frage auf systematische Art und Weise zu behandeln und die Vorhersagen der beiden separaten Zugänge zu verbessern. Zu den zentralen Zielen des Projekts gehört u. a., einen überzeugenden Konnex zwischen den Konstituenten- Quarkmodellen einerseits und der QCD andererseits herzustellen, das theoretische Verständnis der QCD- Summenregeln zu vertiefen, verfeinerte Versionen der QCD-Summenregeln auf Systeme schwerer Quarks und die schwachen Zerfälle schwerer Hadronen anzuwenden, und die entwickelten Verfahren auf die Analyse neuer exotischer Multiquark-Zustände auszuweiten. Die prognostizierten Ergebnisse dieser Überlegungen versprechen ein deutlich tieferes Verständnis der nicht-störungstheoretischen QCD durch Hervorhebung der Vorteile der verschiedenen nicht-störungstheoretischen QCD-Zugänge und Verringerung der diesen anhaftenden Unsicherheiten sowie durch die Herleitung von verläßlicheren Vorhersagen für experimentell beobachtbare Größen.

Die Elementarteilchenphysik bezeichnet als "Hadronen" alle der starken Wechselwirkung unterliegenden Elementarteilchen, die auch als freie Zustände beobachtet werden können. Zu dieser Teilchenkategorie zählen sowohl die altbekannten, aus u- und d-Quarks aufgebauten Protonen, Neutronen und Pionen als auch Bindungszustände von Teilchen, unter denen sich auch schwere Quarks befinden. Der Aufbau und sämtliche Eigenschaften der Hadronen werden durch die zwischen ihren Konstituenten, den Quarks und Gluonen, herrschende "starke Wechselwirkung" bestimmt. Diese Wechselwirkung wird - im Rahmen der Standardtheorie der Elementarteilchenphysik - durch die "Quantenchromodynamik" (QCD) beschrieben, eine relativistische Quantenfeldtheorie mit Quarks und Gluonen als ihren fundamentalen Freiheitsgraden und einer durch Symmetrieüberlegungen festgelegten mathematischen Struktur. Die Komplexität dieser Theorie verhinderte bisher das Auffinden exakter Lösungen; sogar die näherungsweise Konstruktion von Lösungen durch Verwendung störungstheoretischer Methoden führt nur unter gewissen Umständen zum Ziel. Aus diesem Grund werden zur Untersuchung stark wechselwirkender physikalischer Systeme entweder semianalytische bzw. rein numerische Verfahren oder hinreichend vereinfachte Modelle herangezogen. Das gegenständliche Projekt setzte sich zum Ziel, die Auswirkungen nicht-störungstheoretischer Effekte im Rahmen zweier häufig verwendeter Zugänge zur QCD, der sog. QCD-Summenregeln und des sog. Konstituentenquark- Modells, sowie deren Wechselbeziehungen zu analysieren: Aufstellung und Anwendung solcher Summenregeln erlauben die zumindest semianalytische und im Prinzip in der QCD verankerte Diskussion der Eigenschaften von Hadronen im Grundzustand. Konstituentenquark-Modelle ermöglichen die - zum Teil nur phänomenologische - Beschreibung auch angeregter hadronischer Zustände. Von speziellem theoretischen wie experimentellen Interesse sind in diesem Zusammenhang Prozesse, die durch schwache Wechselwirkungen vermittelt werden und unter Beteiligung von Hadronen ablaufen, unter deren Bausteinen sich (vergleichsweise schwere) b- oder c-Quarks, nicht aber deren Antiteilchen befinden und die deshalb nichtverschwindende Werte der Quantenzahlen "Beauty" oder "Charm" tragen. Insbesondere die schwachen Wechselwirkungen des b-Quarks eröffnen einzigartige Möglichkeiten: Sie erlauben präzise Überprüfungen der Standardtheorie, eingehende Untersuchungen des Phänomens der CP-Verletzung (das geringfügig unterschiedliche Verhalten von Materie und Antimaterie), experimentelle Bestimmungen der Kopplungen, die im Rahmen der Standardtheorie Umwandlungen schwerer in leichte Quarks beschreiben, und das Studium neuer, über die Standardtheorie hinausgehender Erscheinungen. Die Auswertung entsprechender Experimente erfordert die Trennung der (theoretisch gut verstandenen) schwachen Wechselwirkungen der Quarks von ihren (weitaus komplexeren) starken Wechselwirkungen. Die der QCD innewohnende Eigenschaft des sog. "Colour Confinements" oder Farb-Einschlusses - das empirische Faktum, daß in der Natur weder Quarks noch Gluonen, sondern lediglich deren farb-neutrale Bindungszustände beobachtet werden - verlangt allerdings nach nicht-störungstheoretischen Zugängen zur QCD. Die im Rahmen dieses Forschungsprojekts gewonnenen Erkenntnisse führten auf signifikante Verbesserungen des Zugangs über QCD- Summenregeln. Es erwies sich, daß die bisher gebräuchlichen und als Standard erachteten Verfahren der Summenregel-Methode keine verläßliche Aussage über ihre inhärenten systematischen Unsicherheiten zulassen. Dies stellt insbesondere für die Untersuchung von Prozessen, die vermöge der elektroschwachen Wechselwirkung ablaufen, durch Präzisionsexperimente eine gravierende Unzulänglichkeit dieser Verfahren dar, die jedoch durch die Ergebnisse dieses Projekts entschärft werden kann: Dazu wurden präzise definierte Modifikationen des Summenregel-Formalismus herausgearbeitet, die dessen Vorhersagekraft bei der Beschreibung von Hadronen deutlich erhöhen. Mit dieser Weiterentwicklung der Summenregeln ließen sich in der Folge wesentlich genauere Vorhersagen der Eigenschaften von hadronischen Grundzuständen, die auch ein c- oder b-Quark enthalten, ableiten.