Hadronen in kovarianten Modellen der Quantenchromodynamik

In der modernen Teilchenphysik unterliegen Hadronen der Starken Wechselwirkung, einer der vier Grundkräfte. Die Starke Wechselwirkung ist ein wesentlicher Grund dafür, dass die Welt ist, wie sie ist, ja sogar für unsere Existenz an sich. Die bekanntesten Hadronen, das Proton und das Neutron sind die Bausteine der Atomkerne. Da Protonen positiv geladen und Neutronen ungeladen sind, gäbe es ohne die Starke Wechselwirkung keine stabilen Atomkerne. Diese Wechselwirkung kann theoretisch durch Quarks und Gluonen verstanden werden, die Elementarteilchen in der Quantenchromodynamik, der Quantenfeldtheorie, die der Starken Wechselwirkung zu Grunde liegt. Weder Quarks noch Gluonen können jemals alleine einen Teilchendetektor erreichen, sondern sie treten nur in bestimmten Konstellationen auf und bilden Bindungszustände, die als Hadronen erscheinen. Hadronen aus hauptsächlich drei durch Gluonen gebundenen Quarks heißen Baryonen, solche aus hauptsächlich einem Quark und einem Antiquark Mesonen. Viele verschiedene Mesonen und Baryonen wurden endteckt, und das Ziel der theoretischen Hadronenphysik ist es, deren Eigenschaften aus der Quantenchromodynamik heraus zu erklären. Dieses Projekt hat dies mit der Hilfe gekoppelter Integralgleichungen zum Ziel. Die Gleichungen und deren Lösungen haben beim Studium von Hadronen sehr praktische Eigenschaften. Während man den exakten Ausgangspunkt der Quantenchromodynamik nicht direkt verwenden kann, lassen sich jedoch ausgefeilte Modelle konstruieren, in denen alle wichtigen Eigenschaften der zugrundeliegenden Theorie erhalten bleiben, die aber für eine numerische Behandlung einfach genug sind. Genauergesagt liegt ein Schwerpunkt des Projekts auf einer umfassenden Studie von Hadronmassen (und zwar sowohl von Mesonen als auch Baryonen), insbesondere einschließlich ihrer angeregten Zustände für die verschiedenen bekannten Quarkarten, die als Konstituenten von Hadronen auftreten. Ein Ziel des Projekts ist, beginnend mit dem schwersten Quark, von dem man weiß, dass es Bindungszustände bildet, dem "bottom"-Quark, eine neue effektive Wechselwirkung zu finden, die eine umfassende, einheitliche Beschreibung aller Mesonen und Baryonen in ein und dem selben Setup ermöglicht. Andere Untersuchungen dieses Projekts betreffen verschiedene Wechselwirkungen von Hadronen mit Photonen (der elektromagnetischen Wechselwirkung), schwachen Bosonen (der Schwachen Wechselwirkung), und nicht zuletzt untereinander (über die starke Wechselwirkung). Solche Prozesse kommen in Teilchenbeschleunigern und - Detektoren vor und müssen bei der verläßlichen Auswertung experimenteller Daten gut verstanden sein.

In der modernen Teilchenphysik unterliegen Hadronen der Starken Wechselwirkung, einer der vier Grundkräfte. Die Starke Wechselwirkung ist ein wesentlicher Grund für unsere Existenz wie wir sie kennen. Die bekanntesten Hadronen, das Proton und das Neutron sind die Bausteine der Atomkerne. Da Protonen positiv geladen und Neutronen ungeladen sind, gäbe es ohne die Starke Wechselwirkung keine stabilen Atomkerne.Diese Wechselwirkung kann theoretisch durch Quarks und Gluonen verstanden werden, die Elementarteilchen in der Quantenchromodynamik, jener Quantenfeldtheorie, die der Starken Wechselwirkung zu Grunde liegt. Weder Quarks noch Gluonen können jemals alleine einen Teilchendetektor erreichen: Sie treten in bestimmten Konstellationen als Bindungszustände (Hadronen) auf. Hadronen aus drei durch Gluonen gebundenen Quarks heißen Baryonen, solche aus einem Quark und einem Antiquark Mesonen. Das Ziel der theoretischen Hadronenphysik ist, Hadroneneigenschaften aus der Quantenchromodynamik zu erklären.Dies wurde mit gekoppelten Integralgleichungen untersucht. Aus der Quantenchromodynamik wurden ausgefeilte Modelle konstruiert, in denen alle wichtigen Eigenschaften der zugrundeliegenden Theorie erhalten bleiben, die aber für eine numerische Behandlung einfach genug sind.Die Resultate für Mesonen aus schweren Quarks sind dabei wie erwartet quantitativ etwas besser als für leichte, wobei eine Beschreibung vieler Mesonmassen und eigenschaften erfolgreich war. Im Bottomonium-System etwa konnten experimentell noch nicht beobachtete Mesonen und ihre Zerfallscharakteristika durch die Schwache Wechselwirkung berechnet werden. Für die Mesonen mit zwei der schwersten quark-Arten, auch Flavors genannt, wurde ebenfalls ein experimentell noch nicht gemessenes, aber vielfach vorhergesagtes Meson berechnet und die eigene Vorhersage mit jenen aus der Literatur zu einer Theorie-gemittelten Gesamtvorhersage aus 40 Einzelvorhersagen kombiniert.Ein weiterer Schwerpunkt der Ergebnisse befasst sich mit sogenannten exotischen Mesonen, deren Eigenschaften im traditionellen und über Jahrzehnte bewerten Teilchenmodell nicht unmittelbar erklärbar sind. Insbesondere erfordern solche Hadronen in theoretischen Zugängen oft eine kompliziertere Struktur; im hier verwendeten Zugang sind sie jedoch vergleichsweise einfach zu beschreiben. Nach der Beschreibung der beiden bisher einzigen gesichert beobachteten Mesonen dieser Art, wurden zuletzt das erste Mal neue, quasiexotische Mesonen vorhergesagt, die mit exotischen in engem Zusammenhang stehen.