Messung der Polarisation von Quarkonia am LHC

Wir wollen die vom CMS Experiment am LHC gesammelten Daten benutzen, um die Polarisation schwerer Quarkonia über Zerfälle in + - -Paare zu messen. Die Polarisationsparameter sollen in Abhängigkeit von der Rapidität und des Transversalimpulses des Quarkoniums ermittelt werden. Besondere Aufmerksamkeit wollen wir jedweder begleitenden Aktivität in den studierten Ereignissen widmen, beispielsweise der Produktion hadronischer Jets. In der ersten Doktorarbeit betrachten wir die Charmonium-Zustände ` and c, die in den Datennahme- Perioden 2010 und 2011 registriert wurden (werden). In der zweiten Doktorarbeit untersuchen wir die Polarisation der Bottomonium-Zustände (2S) und (3S). Diese Kanäle haben eine kleinere Produktionsrate; deshalb werden wir zusätzlich noch die zukünftigen Daten von 2012 heranziehen. Die Grundlage für die beiden Analysen ist der kürzlich entwickelte neue Polarisations-Formalismus, der eine eindeutige Bestimmung der Polarisationsparameter möglich macht. Das Ziel der beiden Doktorarbeiten ist die systematische Studie der Produktionsmechanismen von schweren Quarkonia im Rahmen der Theorie der Starken Wechselwirkung, Quantenchromodynamik (QCD).

Ähnlich dem Wasserstoffatom, dem Bindungszustand aus einem Proton und einem Elektron, ist auch ein Quarkonium ein gebundener Zustand, und zwar zwischen einem schweren Quark und seinem Antiquark. Atome werden durch die elektromagnetische Wechselwirkung zusammengehalten, die durch die Quantenelektrodynamik (QED) beschrieben wird, einer ausgereiften und seit etwa sechzig Jahren gut verstandenen Theorie. Im Fall eines Quarkoniums handelt es sich um die starke Wechselwirkung, die die Quarks bindet, sowie die Theorie der Quantenchromodynamik (QCD), die sich leider in den meisten Fällen einem quantitativen Verständnis verschließt. Quarkonia werden bei Energien, wie sie bei den Protonkollisionen am LHC am CERN erreicht werden, mit ausreichend hohen Raten produziert und sind folglich einer experimentellen Untersuchung bequem zuganglich. Da die Bindungsenergie in einem Quarkonium im Vergleich zur Masse des gebundenen schweren (Anti)Quarks sehr klein ist, kann seine Entstehung mit Näherungsmethoden beschrieben und in weiterer Folge einige Eigenschaften der starken Wechselwirkung ergründet werden.Beispielsweise kann die Winkelverteilung der Muonen aus Quarkoniumzerfällen Aufschluss darüber geben, in welchem Zustand sich das Quark und das Antiquark befunden haben, als sie zu einem Quarkonium gebunden wurden. Der experimentelle Befund zur Winkelverteilung war vor Beginn dieses FWF-Projekts sehr verwirrend und widersprüchlich. Das FWF-Projekt, das maßgeblich von zwei Doktoranden am Institut für Hochenergiephysik in Wien durchgeführt wurde, lieferte erste konsistente Ergebnisse. Im Zuge dieser Arbeit wurden neue Analyse-Methoden entwickelt, die die in den Daten vorhandene Informationen optimal auszunützen. Die Messung der Winkelverteilung erfolgte bis zu hohen Transversalimpulsen der Quarkonia, was besonders für das theoretische Verständnis der Produktionsprozesse von Quarkonia wichtig ist, da das QCD-inspirierte Näherungsmodell (NRQCD = non relativistic QCD) am ehesten in dieser Region als glaubhaft angesehen wird. Die Ergebnisse dieses FWF-Projekts haben zum Verständnis der Produktionsprozesse von Quarkonia beigetragen.