Glueball-Suche mit Holographie und Phänomenologie

Die Theorie der starken Wechselwirkung Quantenchromodynamik (QCD) ist nach der Entdeckung einer großen Anzahl von Teilchen im 20. Jahrhundert entstanden. Sie beschreibt die Dynamik der Farbladungen, die von Quarks (Bestandteile von beispielsweise Protonen und Neutronen) und Gluonen (welche die starke Wechselwirkung zwischen den Quarks vermitteln) getragen werden. Die QCD is asymptotisch frei: deren Kopplung vermindert sich mit steigender Energie. Folglich sind bei ausreichend hohen Energien perturbative Berechnungen laut Erstprinzipien möglich. Bei niedrigen Energien ist dies hingegen anders, da die Kopplung zu groß wird; zudem sind die Quarks und Gluonen unter diesen Bedingungen sogar nicht mehr die relevanten Freiheitsgrade, da sie in so genannte Hadronen eingeschlossen sind ("Confinement"). Gluonen sind zu den Photonen analog, die in den elektrodynamischen Prozessen (zum Beispiel den Elektronen- Wechselwirkungen) erscheinen. Es gibt aber einen wichtigen Unterschied: Photonen wechselwirken nicht untereinander, während Gluonen hingegen diese Selbstwechselwirkung in der Tat aufweisen. Dies führt zur Bildung einer besonderen Teilchen-Sorte, der so genannten Gluebälle ("glue", englisch = Leim die Gluonen "kleben" aneinander). Die Gluebälle sind für unser Verständnis der Physik von großer Wichtigkeit, da sie eine seltene Art von Teilchen darstellen, deren Masse nicht von dem Higgs-Boson stammt. Der skalare Glueball, der die Quantenzahlen des Vakuums besitzt, ist besonders interessant, da er in den Experimenten nur schwierig identifiziert werden kann. In diesem Projekt entwickeln wir daher zwei theoretische Methoden für eine Suche nach dem skalaren Glueball. Die erste Methode beruht auf der berühmten Äquivalenz zwischen dem Supergravity-Limes einer String Theory in einem gekrümmten Raum und einem Limes einer supersymmetrischen und konformalen Eichtheorie auf dem Rande des gekrümmten Raums (AdS/CFT- Korrespondenz). Die andere Methode ist das vollständig auf den QCD-Symmetrien basierte Lineare Sigma- Modell. Wir beabsichtigen damit die Erforschung sowohl des skalaren Glueballs als auch der Quark-Antiqark- Zustände mit denselben Quantenzahlen, um Einblicke in die Fundamentalprinzipen der QCD zu erhalten.

Die Theorie der starken Wechselwirkung Quantenchromodynamik (QCD) ist nach der Entdeckung einer großen Anzahl von Teilchen im 20. Jahrhundert entstanden. Sie beschreibt die Dynamik der Farbladungen, die von Quarks (Bestandteile von beispielsweise Protonen und Neutronen) und Gluonen (welche die starke Wechselwirkung zwischen den Quarks vermitteln) getragen werden. Gluonen sind zu den Photonen analog, die in den elektrodynamischen Prozessen (zum Beispiel den Elektronen-Wechselwirkungen) erscheinen. Es gibt aber einen wichtigen Unterschied: Photonen wechselwirken nicht untereinander, während Gluonen hingegen diese Selbstwechselwirkung in der Tat aufweisen. Dies führt zur Bildung einer besonderen Teilchen-Sorte, der so genannten Gluebälle (glue, englisch = Leim die Gluonen kleben aneinander). Es sind dies somit Teilchen, die quasi aus reiner Kernkraft bestehen. Diese Gluebälle, obwohl ihre Massen durch numerische Methoden näherungsweise bekannt sind, konnten bislang allerdings experimentell nicht eindeutig im dichten Spektrum der Hadronen identifiziert werden, weil ihre charakteristischen Eigenschaften wie Zerfallsmuster nicht zuverlässig berechnet werden konnten. Dieses Projekt verwendete zwei theoretische Methoden, um hier Abhilfe zu schaffen. Die erste Methode beruht auf der berühmten Äquivalenz zwischen dem Supergravity-Limes einer String Theory in einem gekrümmten Raum und einem Limes einer supersymmetrischen und konformalen Eichtheorie auf dem Rande des gekrümmten Raums (AdS/CFT-Korrespondenz). Die andere Methode ist das vollständig auf den QCD-Symmetrien basierte Lineare Sigma-Modell. Durch dieses Projekt konnte ein Elementarteilchen mit der Bezeichnung f0(1710) durch beide Methoden als bester Kandidat für den leichtesten Glueball identifiziert werden. Darüber hinaus wurden neue Vorhersagen für noch zu vermessende Zerfallsmuster dieses Teilchens gemacht, die diese Identifikation in naher Zukunft experimentell erhärten können. Des Weiteren konnten die Zerfallsmuster und Produktionsprozesse der drei nächst schwereren Gluebälle bestimmt werden, für die es bislang noch keine experimentellen Kandidaten gibt, nach denen aber in Teilchenbeschleunigerexperimenten gesucht wird.