Messung der Produktion von Quarkonia am LHC

Die starke Kraft bindet Quarks zu Atomkernen (Protonen und Neutronen) und Atomkerne zu Atomen. Sie hält damit unsere Welt im Innersten zusammen. Unser Wissen über diese grundlegende Kraft ist jedoch sehr beschränkt. Wir verstehen bis heute noch nicht genau, wie Protonen und Neutronen, die aus jeweils drei Quarks bestehen, gebildet werden. Das einfachste System, um die Bildung eines gebundenen Zustandes aus Quarks zu studieren, ist das Quarkonium. Quarkonia bestehen aus einem Charm- Anticharm oder Beauty-Antibeauty-Quarkpaar. Charm- und Beauty-Quarks sind die schwersten der insgesamt sechs Quarks, die einen gebunden Zustand formen können. Aufgrund der großen Masse dieser Quarks, erfolgt die Bildung eines gebunden Zustandes aus dem ursprünglichen Quark-Antiquarkpaar sehr langsam und kann experimentell untersucht werden. Quarkonia sind in der gewöhnlichen, sichtbaren Materie, die uns umgibt, nicht vorhanden. Sie können jedoch im Überfluss in Kollisionen im größten und stärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem LHC am CERN, produziert werden. Dieses Projekt wird daher Daten, die am CMS Experiment am LHC gesammelt wurden, verwenden, um die grundlegende Frage Wie wechselwirken ein Quark und ein Antiquark, um einen gebunden Zustand zu bilden? zu beantworten. Dafür werden spezielle Eigenschaften der Quarkonia sowie ihre Produktion gemeinsam mit anderen Teilchen untersucht. Die Studien, die in diesem FWF- Antrag vorgeschlagen werden, wurden noch nie vorher realisiert und werden neue Erkenntnisse über die Bildung gebundener Zustände aus Quarks bringen.

Die starke Kraft bindet Quarks zu Atomkernen (Protonen und Neutronen) und Atomkerne zu Atomen. Sie hält damit unsere Welt im Innersten zusammen. Unser Wissen über diese grundlegende Kraft ist jedoch sehr beschränkt. Wir verstehen bis heute noch nicht genau, wie Protonen und Neutronen, die aus jeweils drei Quarks bestehen, gebildet werden. Das einfachste System, um die Bildung eines gebundenen Zustandes aus Quarks zu studieren, ist das Quarkonium. Quarkonia bestehen aus einem Charm-Anticharm oder Beauty-Antibeauty-Quarkpaar. Charm- und Beauty-Quarks sind die schwersten der insgesamt sechs Quarks, die einen gebunden Zustand formen können. Aufgrund der großen Masse dieser Quarks erfolgt die Bildung eines gebundenen Zustands aus dem ursprünglichen Quark-Antiquarkpaar sehr langsam und kann experimentell untersucht werden. Quarkonia sind in der gewöhnlichen, sichtbaren Materie, die uns umgibt, nicht vorhanden. Sie können jedoch im Überfluss in Kollisionen im größten und stärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem LHC am CERN, produziert werden. Dieses Projekt verwendete daher Daten, die vom LHC und den dortigen Experimenten geliefert wurden, um die grundlegende Frage "Wie wechselwirken ein Quark und ein Antiquark, um einen gebundenen Zustand zu bilden?" zu untersuchen. Dafür wurden bereits vorhandene Messungen zu Wechselwirkungsquerschnitt und Winkelverteilung der Quarkonia von den LHC Experimenten ATLAS und CMS benützt, um diese neu und modellunabhängig auszuwerten. Dabei wurde gezeigt, dass alle Quarkoniumzustände mit den gleichen Eigenschaften produziert werden, was im Gegensatz zur derzeit gängigen Theorie der nicht-relativistischen Quantumchromodynamik (NRQCD) steht. Zusätzlich wurde eine Messung der Winkelverteilung bestimmter Quarkoniumzustände, identifiziert, die noch nie zuvor realisiert wurde und die Aufschluss darüber geben kann, ob der simple, komplett datenbasierte Ansatz oder die komplexere Theorie richtig ist. Diese Messung wurde mit Daten vom CMS Experiment durchgeführt und zeigt überraschend, eine Übereinstimmung mit der komplexeren Theorie. Diese wichtige neue Erkenntnis wird großen Einfluss auf das Verständnis der Produktion von Quarkonia und die weitere Entwicklung von Quarkoniumphysik haben. Dieses Projekt wurden von einem Postdoc sowie einem Doktoranden am Institut für Hochenergiephysik in Wien durchgeführt.