Exotische Hadronen

Im Rahmen der theoretischen Elementarteilchenphysik werden die für den Zusammenhalt der Atomkerne und der Bestandteile dieser Atomkerne, der Protonen und Neutronen, verantwortlichen starken Wechselwirkungen durch eine auf einer Eichsymmetrie beruhenden Quantenfeldtheorie, die sogenannte Quantenchromodynamik, QCD, beschrieben; deren grundlegende dynamische Freiheitsgrade bilden die Quarks und Gluonen, die Träger der sogenannten Farbladung. In der Natur werden jedoch nur (unter dem Begriff Hadronen zusammengefaßte) farbneutrale Bindungszustände von Quarks und Gluonen beobachtet; dieser Befund wird mit der Bezeichnung Farbeinschluß (engl. confinement) umschrieben. Erstaunlicherweise wurden, obwohl aus theoretischer Sicht nichts gegen die Realisierung aller möglichen farbneutralen Zustände spricht, jahrzehntelang nur gewöhnliche Hadronen also Bindungszustände eines Quark-Antiquark-Paares oder dreier Quarks oder dreier Antiquarks nachgewiesen. Erst vor vergleichsweise kurzer Zeit gelang der experimentelle Nachweis der Existenz einer neuen Klasse von im Rahmen der QCD erlaubten und aus ziemlich verständlichen Gründen als exotisch bezeichneten Hadronen. Besonderes Gewicht kommt in diesem Zusammenhang der Beobachtung eines elektrisch geladenen Teilchens zu, das aus zumindest je einem Charm-Quark, Charm-Antiquark, Up-Quark und Down-Antiquark aufgebaut sein dürfte. Mit der zweifellos sensationellen und beständig anwachsenden Evidenz für die Existenz derartiger Teilchen wird ein gänzlich neues Kapitel der Elementarteilchenphysik aufgeschlagen. Charakteristische Merkmale sowohl in Bezug auf die Entstehung als auch den inneren Aufbau der exotischen Hadronen unterscheiden diese von gewöhnlichen Hadronen. Zur theoretischen Beschreibung von exotischen Teilchen wurde bereits eine Vielzahl von Modellen vorgeschlagen. Unter diesen findet sich allerdings bislang keines, das eine Vorhersage der Eigenschaften exotischer Zustände im Rahmen eines in der QCD wurzelnden dynamischen Zugangs erlauben würde. Der für die Bildung hadronischer Bindungszustände verantwortliche Mechanismus des Farbeinschlusses ist nicht-störungstheoretischen Ursprungs, und entzieht sich daher den erprobten Methoden der Störungstheorie, einem Verfahren, um ausgehend von einer Quantenfeldtheorie zumindest näherungsweise zu analytischen Folgerungen zu gelangen. Die Untersuchung von Hadronen bedarf somit nicht-störungstheoretischer Zugänge. Einen der wichtigsten aller nur analytische Mittel einsetzenden nicht-störungstheoretischen Zugänge zur QCD bildet die Methode der QCD-Summenregeln; dieses Verfahren wird im gegenständlichen Forschungsvorhaben herangezogen, um eine QCD-basierte dynamische Beschreibung der exotischen Hadronen zu formulieren, aus der sich dann zuverlässige Vorhersagen für die zentralen Eigenschaften dieser Bindungszustände wie etwa deren Zerfallskonstanten, Formfaktoren, oder Zerfallsraten gewinnen lassen. Diese systematische Erfassung der Klasse der exotischen Teilchen sollte deren Identifizierung in künftigen Experimenten deutlich erleichtern.

Die Elementarteilchenphysik faßt sämtliche Elementarteilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen und als freie Teilchen beobachtet werden können, unter dem Begriff "Hadronen" zusammen. Jedes dieser Hadronen erweist sich als gebundener Zustand von Subkomponenten, wie etwa der Quarks und deren Antiteilchen. Zu dieser Teilchenkategorie zählen jedoch nicht nur die altbekannten Bindungszustände von Quark und Antiquark (wie etwa die Pionen) oder dreier Quarks (wie etwa das Proton und das Neutron), sondern auch exotischere Vertreter, wie die aus mehr als drei Quarks gebildeten "Multiquarks". Beispiele für letztere wären aus zwei Quarks und zwei Antiquarks bestehende "Tetraquarks" und aus vier Quarks und einem Antiquark aufgebaute "Pentaquarks". Erst in jüngerer Zeit gelang die experimentelle Bestätigung der tatsächlichen Existenz dieser exotischen Zustände in der Natur. Jegliche theoretische Betrachtung von Multiquarks sieht sich allerdings mit einer grundsätzlichen Schwierigkeit konfrontiert: die Konstituenten jedes Multiquarks können ebenso zur Bildung von zwei oder mehreren herkömmlichen, also nicht-exotischen Hadronen herangezogen werden. Ein vielfach anzutreffender Zugang zu Bindungszuständen von Quarks beruht auf der Herleitung der Beziehungen zwischen den Eigenschaften der Hadronen und den Parametern der Theorie, die der starken Wechselwirkung zugrunde liegt. Somit mußte die erste Zielsetzung des gegenständlichen Projekts in der Konstruktion präziser Kriterien liegen, welche die eindeutige Identifikation aller für Multiquarks irrelevanten Beiträge ermöglichen. Die Anwendung des daraus resultierenden Verfahrens auf exotische Hadronen zeigt einen Weg auf, wie die Spreu vom Weizen zu trennen ist, um allen für Multiquark-Studien irrelevanten Ballast loszuwerden. In der Folge führt dies auf eines der zentralen im Rahmen des Projekts erzielten Resultate: die Definition und systematische Formulierung eines auf analytischen Methoden fußenden, quantitativen Zugangs zu Multiquarks. Angesichts des Umstands, dass diese unerwünschten Beiträge in führender Rolle in viele frühere Multiquark-Untersuchungen einflossen, sollten die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse eigentlich eine Art von Paradigmenwechsel für künftige Analysen nach sich ziehen.