Gitter QCD Untersuchung von Charmonium-ähnlichen Teilchen

In den letzten Jahren wurde eine Reihe von "nicht-konventionellen" Charmonium-Zuständen (also Elementarteilchen mit zumindest einem Charm- und einem Anticharm- Quark) experimentell entdeckt. Viele davon, vor allem die geladenen, können nicht als konventionelle Quark-Antiquark Zustände erklärt werden. Diese Teilchenzustände sind entweder Resonanzen oder liegen nahe der Zerfallschwelle für hadronische Zerfälle. Keiner dieser Teilchenzustände wurde bisher im Rahmen der nicht-perturbativen Gitterformulierung der Quantenchromodynamik (QCD) so genau untersucht, dass auch die Kopplung zu offenen hadronischen Kanälen und entsprechende Schwelleffekte berücksichtigt wurden. Nur die Massen der Zustände, welche deutlich unter der Zerfallsschwelle liegen, konnten verlässlich bestimmt werden. In unserem Projekt wollen wir diese interessanten Charmonium- und Charmonium-ähnlichen Zustände mittels Methoden der Gitter- QCD untersuchen und gekoppelte Meson-Meson Kanäle ausdrücklich berücksichtigen. Die QCD wird mittels Monte-Carlo Methoden quantisiert, und es werden mehrere Streukanäle studiert. Die entsprechenden Operatoren umfassen Quark-Quark und Meson-Meson Interpolatoren. Effiziente Methoden wie etwa die Stochastische Distillation oder die Variationsanalyse der Korrelatoren werden dabei eingesetzt. Die gemessenen Energiewerte dienen zur Bestimmung der Phasenverschiebung und der Resonanzparameter. Mehrere der experimentell bestimmten Zustände (zum Beispiel X(3872), (3770), c0 (2P), Z+(4430)) misst man in den Streukanälen DD, DD*, D*D 1 in S-Welle oder in P-Welle. Wir werden diese Kanäle analysieren und Werte für die Phasenverschiebung bestimmen. Mögliche Bindungszustände können wir ebenfalls identifizieren. Von besonderem Interesse sind dabei DD* Streuung in S-Welle, da die unerwartet schmale Resonanz X(3872) in Experimenten nahe der D0 D0 * Schwelle gemessen wurde. Wir werden dabei die Isospin-Kanäle 0 und 1 betrachten; dies sollte eine Klassifikation erlauben. Die Untersuchung der DD Streuung in P-Welle ist für (3770) wichtig; die entsprechende Masse war in bisherigen Gitter QCD Studien zu hoch. Ergebnisse zur D*D1 Streuung in S-Welle sollen das kontroversielle Z+(4430) erhellen. We erwarten grundlegend neue Ergebnisse, von Bedeutung für das Verständnis der in den letzten Jahren entdeckten Charmonium und Charmonium-ähnlichen Zustände.

Es wurden Massen und Zerfallseigenschaften von Elementarteilchen mit Hilfe der Quantenchromodynamik (QCD) berechnet, Die QCD ist die fundamentale Quantenfeldtheorie der Quarks und Gluonen, aus denen 99,98% der bekannten Materie bestehen. Sie beschreibt die starke Kraft, welche die Quarks in den Atomkernteilchen Proton und Neutron bindet. Neben diesen beiden gibt es noch zahlreiche weitere Hadronen, die in den letzten Jahrzehnten experimentell gemessen wurden. Besonders spannend sind die erst kürzlich entdeckten Hadronen, die sowohl aus leichten Quarks (Up, Down, Strange) als auch aus den schweren Charm und Bottom Quarks aufgebaut sind. Durch die Formulierung der QCD auf einem Raum-Zeit Gitter können diese Hadronen ab initio berechnet und ihre Eigenschaften bestätigt oder sogar vorhergesagt werden. Die bisherigen Rechnungen haben allerdings einen wesentlichen Aspekt vernachlässigt: die meisten der Teilchen nicht stabil, wie in den Rechnungen als Näherung angenommen, sondern sind Resonanzen, zerfallen also mit endlicher (sehr kurzer) Lebensdauer in leichtere Teilchen. Vor allem Charmonium-ähnliche Hadronen, in denen Charm Quarks und Antiquarks gebunden sind, geben Rätsel auf. Sie können einerseits durch die bisherigen Methoden nicht richtig beschrieben werden und andrerseits sind einige dieser Teilchen vielleicht Tetraquarks, also aus zwei Quarks und zwei Antiquarks gebildet. Im Projekt haben wir neue Methoden angewandt und für eine Reihe von Quantenkanälen erstmalig diese hadronischen Zerfallsmöglichkeiten berücksichtigt und den Einfluss auf die Teilcheneigenschaften berechnet. In einigen Fällen konnten wir so die theoretische Vorhersage mit den Experimenten in Einklang bringen oder sogar noch nicht entdeckte Teilchen vorhersagen. Diese Art von Rechnungen benötigt hohe Rechenleistung, in unserem Fall mehr als eine Million CPU-Stunden, die auf Computer-Clustern verfügbar waren. Die notwendige Speicherleistung betrug einige Dutzend Terabyte. Unsere Arbeitsgruppe war international. Die Projektpartnerin Sasa Prelovsek arbeitet an der Universität Ljubljana (Slowenien), ein externer Partner Daniel Mohler war am FermiLab (FNAL bei Chicago, USA), und in Graz waren ein Forscher indischer Nationalität, Padmanath Madanagopalan gemeinsam mit mir tätig. Dank der modernen Kommunikationsmittel funktionierte das sehr gut. Wir konnten unsere Ergebnisse in mehreren Beiträgen in international renommierten Fachzeitschriften und auf Tagungen präsentieren.