Untersuchungen zur Quark- und Gluon-Struktur der Hadronen im Rahmen der Gitter-QCD

• Applicant: Professor Dr. Hartmut Wittig, since 6/2012
• Subject Area: Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
• Term: from 2010 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 185042285

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Das geförderte Projekt befasste sich mit Berechnungen zur Spektroskopie und den Struktureigenschaften von Baryonen, insbesondere des Nukleons. Die präzise Berechnung von Massen und Strukturgrößen erfordert einen Einsatz eines technisch anspruchsvollen und aufwändigen Verfahrens, der Gitter-QCD. Diese ist derzeit die einzige bekannte Methode zur Bestimmung physikalischer Größen der starken Wechselwirkung mit systematisch verbesserbarer Genauigkeit. Ein zentrales Ziel des Projekts war die Durchführung von Präzisionsrechnungen zur Bestimmung der Ladungsradien des Nukleons. Aufgrund der signifikanten Abweichung zwischen verschiedenen experimentellen Messungen dieser Größen ("Proton Radius Puzzle"), kommt dieser Frage eine große aktuelle Bedeutung zu. Weiterhin sollten Referenzrechnungen für die axiale Ladung gA und den mittleren Impulsanteil der Quarks im Nukleon vorgenommen werden. Das Projekt konzentrierte sich auf die Reduktion systematischer Effekte, insbesondere des Einflusses von Anregungszuständen. Damit gelang erstmals Bestimmung der Ladungsradien in der Gitter-QCD mit einer kompletten Aufstellung und Quantifizierung der statistischen und systematischen Fehler. Die erzielte Genauigkeit ist allerdings noch nicht ausreichend um zur Frage des Proton Radius Puzzle entscheidend beizutragen. Ein weiterer wesentlicher Teil des Projekts war die Konstruktion von interpolierenden Operatoren, die das statistische Rauschen von baryonischen Korrelationsfunktionen verbessern sollen. Zwei Methoden wurden im Projektzeitraum entwickelt: das anisotropische Smearing benutzt das Konzept der Lorentz-Kontraktion in der speziellen Relativitätstheorie. Damit kann die Projektion auf den Grundzustand für leichte Hadronen mit Impuls verbessert werden. Mithilfe der Methode des free form Smearings können nahezu beliebige räumliche Profile der hadronischen Wellenfunktion erzeugt werden, was Korrelationsfunktionen in der Nähe des Kontinuumslimes besonders zu Gute kommt. Die Frage nach der Existenz eines Bindungszustands zweier Lambda-Hyperonen, des H-Dibaryons, konnte bislang weder experimentell noch in theoretischen Studien geklärt werden. Unter Einsatz einer Variante des entwickelten free form Smearings wurde dieses Problem im Rahmen des Projekts in Angriff genommen. Dabei konnten die Hinweise aus früheren Rechnungen, die auf die Existenz eines gebundenen Dibaryons hindeuten, erhärtet werden. Die Ausweitung der Rechnungen auf den Bereich physikalischer Pionmassen und größerer Volumina sollte zu einer endgültigen Klärung dieses Problems führen. Das Projekt hat wesentliche Fortschritte zur Frage der Struktur und Spektroskopie von Baryonen erzielt und dadurch die Grundlage für künftige, noch präzisere Untersuchungen geschaffen.

Publications

• Excited state systematics in extracting nucleon electromagnetic form factors. PoS LATTICE 2012 (2012) 177.
  S. Capitani, M. Della Morte, G. von Hippel, B. Jäger, B. Knippschild, H.B. Meyer, T.D. Rae, H. Wittig.
  
• Improved interpolating fields for hadrons at non-zero momentum. European Physical Journal A, Vol. 48. 2012, Issue 10: 139. arXiv:1208.0189
  M. Della Morte, B. Jäger, T.D. Rae, H.Wittig
  
• The Shape of Covariantly Smeared Sources in Lattice QCD. Journal of High Energy Physics, Vol. 2013, Issue 9: 14.
  G.M. von Hippel, B. Jäger, T.D. Rae, H. Wittig
  
• A high-statistics study of the nucleon EM form factors, axial charge and quark momentum fraction, PoS LATTICE 2013 (2014) 272.
  B. Jäger, T.D. Rae, S. Capitani, M. Della Morte, D. Djukanovic, G. von Hippel, B. Knippschild, H.B. Meyer, H. Wittig
  
• Search for a bound H-dibaryon using local six-quark interpolating operators, PoS LATTICE 2014 (2014) 107,
  J. Green, A. Francis, P. Junnarkar, C. Miao, T.D. Rae, H. Wittig
  
• Nucleon axial form factors from two-flavour Lattice QCD, PoS LATTICE 2014 (2015) 150.
  P.M. Junnarkar, S. Capitani, D. Djukanovic, G. von Hippel, J. Hua, B. Jäger, H.B. Meyer, T.D. Rae, H. Wittig
  
• Nucleon electromagnetic form factors in two-flavor QCD, Physical Review D, Vol. 92. 2015, Issue 5: 054511.
  S. Capitani, M. Della Morte, D. Djukanovic, G. von Hippel, J. Hua, B. Jäger B. Knippschild, H.B. Meyer, T.D. Rae, H. Wittig