Paarproduktion von Mesonen bei Proton-Antiproton Kollisionen

Das Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist das Studium der Dynamik der starken Wechselwirkung bei harten hadronischen Reaktionen. Im Speziellen soll die Produktion von Mesonpaaren bei Proton-Antiproton Kollisionen bei Energien von einigen GeV untersucht werden. Diese theoretischen Untersuchungen sind eng verbunden mit an Teilchenbeschleunigern durchgeführten Experimenten, insbesondere mit den geplanten am PANDA Detektor bei FAIR-GSI (Deutschland). In einem breiteren Kontext betrachtet geht es in diesem Projekt darum, tiefere Erkenntnisse, wie Hadronen - zum Beispiel Protonen und Mesonen - aus den fundamentalen Teilchen - Quarks und Gluonen - aufgebaut sind, zu gewinnen. Die Dynamik dabei wird durch die der starken Wechselwirkung zugrunde liegenden Theorie, der Quantenchromodynamik (QCD), beschrieben. Je nach der Energieskala, auf der man hadronische Prozesse betrachtet, sind es zwei unterschiedliche Grundzüge der QCD, die bei deren Beschreibung vorherrschen: Bei sehr hohen Energien (kleinen Abständen) wechselwirken Quarks und Gluonen nur sehr schwach miteinander, bei kleinen Energien (großen Abständen) hingegen werden deren Kopplungen untereinander sehr stark. Theoretische und experimentelle Studien von Proton-Antiproton Kollisionen eröffnen neue, aufschlussreiche Möglichkeiten, die starke Wechselwirkung in einem Bereich zu erforschen, in dem der Übergang von stark zu schwach wechselwirkender QCD stattfinden soll. Wir sind speziell an einer störungstheoretischen (perturbativen) Behandlung der Produktion von Mesonpaaren bei Proton-Antiproton Kollisionen in einem Energiebereich von einigen GeV (in dem zum Beispiel die PANDA Experimente stattfinden werden) interessiert. Diese Energien sind hoch genug, um die Wechselwirkung zwischen (einigen) hadronischen Konstituenten mit störungstheoretischen Methoden zu behandeln. Dennoch sind hier stets auch perturbativ nicht handhabbare Phänomene present. Für die von uns zu untersuchenden Prozesse kommen drei verschiedene Reaktionsmechanismen in Betracht. Bei jedem dieser möglichen Mechanismen muss die perturbative von der nicht-perturbativen Dynamik separiert werden. Diese verschiedenen Zugänge unterscheiden sich in der Vorschrift, wie diese Aufspaltung gemacht werden soll. Bis zum heutigen Zeitpunkt gibt es keine detaillierten Untersuchungen, welcher Mechanismus eine derartige Produktion von Mesonpaaren dominieren könnte. Daher unser Vorschlag zur Untersuchung solcher Reaktionen. Unser Projekt zielt nicht nur darauf ab, herauszufinden, welcher Mechanismus die Mesonpaarproduktion bei Proton-Antiproton Kollisionen dominiert. Wir erwarten uns von unseren theoretischen Untersuchungen, in Kombination mit den entsprechenden Experimenten, auch einen beträchtlichen Fortschritt beim Verständnis von Proton-zu-Meson Übergängen und damit auch von der Struktur von Protonen. Darüber hinaus würde dieses Projekt auch dazu beitragen, ein Standbein der österreichischen Forschung im Bereich der PANDA-Physik aufzubauen.

In naher Zukunft wird das neue Teilchenbeschleunigerzentrum FAIR (Facility for Antiproton and lone Research) in Darmstadt (Deutschland) fertiggestellt sein. Mit dem dortigen Beschleuniger sollen Antiprotonen und schwere Ionen beschleunigt und zur Kollision mit Protonen oder Atomkernen gebracht werden. Diese einzigartigen Experimente werden neue Erkenntnisse bezüglich der Entwicklung des frühen Universums oder der verschiedenen Phasenzustände hadronischer Materie (das heißt Materie, die aus Quarks und Gluonen aufgebaut Ist) liefern. Unser Projekt Paarproduktion von Mesonen bei Proton-Antiproton Kollisionen war gedacht. theoretische Vorarbeit In Zusammenhang mit den kommenden Proton-Antiproton-Streuexperimenten bei FAIR zu leisten. Durch unsere Studien der Mesonpaarproduktion bei Proton-Antiproton-Kollisionen können wir die Wechselwirkung zwischen den elementaren Quarks und Gluonen und, wie diese Ihrerseits die hadronische Materie bilden, besser verstehen lernen.Im Prinzip wurde die für die Beschreibung der Quark-Gluon-Wechselwirkung zugrunde liegende Theorie der starken Wechselwirkung schon vor einigen Jahrzehnten formuliert. Eine allgemeine Lösung, die über alle Energiebereiche bzw. Raumzeitdistanzen Gültigkeit besitzt, fehlt jedoch bis heute. Es sind zwei miteinander konkurrierende Charakteristika der starken Wechselwirkung, die eine allgemeine Lösung so schwierig machen: asymptotische Freiheit und Confinement, Erstere dominiert bei hohen Energien bzw. kurzen Distanzen während der Wechselwirkung. Dabei verhalten sich Quarks und Gluonen als wären sie quasi frei. Zweiteres ist das dominierende Charakteristikum für den Bereich niedriger Energien bzw. langer Raumzeitdistanzen. Die Kräfte zwischen den Quarks und Gluonen sind dabei sehr hoch, sodass sich Bindungszustände - die so genannten Hadronen - bilden, Die Hadronen sind in diesem Energiebereich dann die bestimmen den Freiheitsgrade. Bei Wechselwirkungsenergien von einigen GeV, wie sie bei heutigen Teilchenbeschleunigungsexperimenten erreicht werden, ist es a priori nicht klar, welche der beiden Merkmale der starken Kraft vorherrscht. Darum ist es nicht nur notwendig, sondern auch Erkenntnis bringend, einzelne Klassen von Teilchenreaktionen Individuell zu betrachten und geeignete Modelle zu deren Beschreibung zu linden.Für die Beschreibung der uns interessierenden Produktion von Mesonpaaren bei Proton-Antiproton Kollisionen nehmen wir Mechanismen an, bei denen man den Gesamtprozess in lang- und kurzreichwellige Wechselwirkungsanteile trennen kann. Diese Bereiche können zunächst getrennt untersucht und beschrieben werden: die Kurzdistanzeffekte auf Quark-Gluon-Niveau, die langreichweitigen Effekte auf hadronischem Niveau. Erst zum Schluss werden die einzelnen Teile wie der zu einem Gesamtprozess zusammengefügt. Unsere Ansätze stehen in direkter Konkurrenz zu Zugängen. bei denen schon die Hadronen und nicht mehr die Quarks und Gluonen die prozessrelevanten Freiheitsgrade sind. Derartige Zugänge wurden unter anderem am Institut für Kernphysik des Forschungszentrums Jülich in Deutschland gewählt. Wenn wir nun zum Beispiel die in unserem Zugang berechneten Streuquerschnitte der einzelnen Reaktionen mit den Vorhersagen der Kollegen aus Jülich vergleichen, so sehen wir Unterschiede um zwei Größenordnungen. Wobei unsere Vorhersagen die höheren Werte liefern. Der Vergleich der theoretischen Vorhersagen mit den kommenden experimentellen Daten, die die Beschleunigeranlage FAIR durch ihre Experimente bald liefern wird, werden wichtige Aufschlüsse darüber geben. welche Mechanismen bei Proton-Antiproton-Reaktionen bzw. innerhalb des Protons selbst am Werk sind, und uns helfen der Lösung der noch existierenden Geheimnisse der starken Kraft näher zu kommen.Zum Schluss soll auch noch erwähnt werden, dass die Chance, die uns durch die Projektrealisierung gegeben wurde, auch einen der Startpunkte der österreichischen Forschungslandschaft in Richtung FAIR-Physik markierte.