SFB 1044:  Die Niederenergie-Grenze des Standardmodells: Von Quarks und Gluonen zu Hadronen und Kernen

• Fachliche Zuordnung: Physik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 204404729

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der SFB 1044 hat sich mit der Rolle von Hadronen beschäftigt, also von subatomaren Teilchen, die aus Quarks und Gluonen aufgebaut sind. Insbesondere hat der SFB die Rolle von Hadronen in dem breiteren Kontext der Teilchen-, Atom- und Kern-(Astro-)physik studiert. Die Hadronenphysik spielt dabei eine zentrale und verbindende Rolle zur Beantwortung von physikalischen Fragestellungen von niedrigen zu hohen Energieskalen. Bei nahezu allen offenen Fragen der genannten Forschungsfelder ist ein Fortschritt durch die fehlende quantitative Kenntnis der starken Wechselwirkung im nicht-perturbativen Regime der Quantenchromodynamik (QCD) limitiert. Eine Überwindung dieser Niederenergie-Grenze des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik hat somit direkte Auswirkungen hinsichtlich zentraler Fragen des SMs. Im SFB 1044 wurden diese Physik-Ziele durch eine strategische Kooperation zwischen dem Mainzer Mikrotron (MAMI), dem Beijing Spectrometer (BESIII) und dem im Bau befindlichen MESA-Beschleuniger, einer Hauptinitiative des PRISMA/PRISMA+ Exzellenz-Clusters, erreicht. Durch eine Kombination von Messungen in der Elektronen-Streuung (MAMI und MESA), von Elektron-Positron-Experimenten (BESIII) sowie zeitgemäßen theoretischen Berechnungen gemäß der Methoden der Gittereichtheorie (LQCD), von Dispersionsrelationen und effektiven Feldtheorien, konnte der SFB 1044 die Niederenergie-Grenze des SMs weiter vorantreiben. Einer der Höhepunkte des SFBs 1044 ist die neue Messung des zeitartigen Pion-Formfaktors bei BESIII, die den dominierenden Fehler aufgrund der hadronischen Vakuumpolarisation (HVP) zum anomalen magnetischen Moment des Myons, (g − 2)µ, weiter verringert hat. Neben der daten-basierten Bestimmung von HVP mittels einer Dispsersionsrelation wurde auch eine abinitio Berechnung mittels der Lattice-QCD-Methode erzielt. Ein Fortschritt bezüglich der SM- Vorhersage von (g − 2)µ ist von größter Wichtigkeit zur endgültigen Interpretation der direkten Messung bei FNAL/USA und zukünftig bei JPARC/Japan. Innerhalb des SFBs 1044 wurde weiterhin das konzeptionelle Design des Paritäts-Verletzungs- Experimentes P2 bei MESA ausgearbeitet. Dies wird in Zukunft die weltbeste Messung des elektroschwachen Mischungswinkels in der Elektron-Proton-Streuung zulassen und somit eine Überprüfung des SMs bis zu Skalen von ca. 50 TeV erlauben. Bei MAMI wurde eine Kampagne von Messungen der Formfaktoren und Polarisierbarkeiten von Protonen durchgeführt. Diese Messungen wurden von verbesserten theoretischen Analysen begleitet, die eine deutlich verbesserte Interpretation der Messungen der Lamb-Shift im myonischen Wasserstoff sowie in myonischen Kernen zur Folge hatten. Diese Aktivitäten wurden durch entsprechende zeitartige Messungen der Neutron-Formfaktoren bei BESIII ergänzt. Ein Photon-Photon-Physik-Programm bei BESIII und A2/MAMI, in dem Meson-Übergangs- Formfaktoren vermessen wurden, hat es erlaubt, den Beitrag der hadronischen Licht-Licht- Streuung (HLbL) zu (g − 2)µ zu bestimmen. Diese Daten wurden mit neu entwickelten dispersiven Rechnungen sowie mit Lattice-QCD-Berechnungen von HLbL verglichen. Darüber hinaus wurde ein Spektroskopie-Messprogramm mittels eines polarisierten Photon- Strahls sowie eines polarisierten Targets bei A2/MAMI erfolgreich abgeschlossen. Der somit erzielte einzigartige Datensatz im Bereich der Photo-Produktion von Mesonen am Nukleon hat es erlaubt, die Rolle von höherliegenden Resonanzen im Baryon-Spektrum zu klären. Bei BESIII haben spektroskopische Messungen im Energiebereich von ca. 4 GeV die wichtigen Entdeckungen von Charmonium-artigen Teilchen erlaubt. Hochpräzisionsmessungen von 4 He Monopol-Übergangs-Formfaktoren wurden bei A1/MAMI durchgeführt. Ein Vergleich mit ab-initio Berechnungen in effektiven Feldtheorien hat zu einem wichtigen Test unseres Verständnisses von Kernkräften in leichten Kernen geführt. Schließlich fand bei MAMI auch ein ausführliches Messprogramm von Strahl-Spin-Asymmetrien von mittelschweren Kernen statt, das im Hinblick auf ein zukünftiges Paritäts-Programm bei MESA wichtig ist, um dort die nukleare Zustandsgleichung zu studieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Light-by-light scattering sum rules constraining meson transition form factors. Phys. Rev. D 85 (2012) 116001
  V. Pascalutsa, V. Pauk and M. Vanderhaeghen
  
• Anomalous magnetic moment of the muon in a dispersive approach. Phys. Rev. D 90 (2014) 113012
  V. Pauk and M. Vanderhaeghen
  
• New determination of the η transition form factor in the Dalitz decay η → e+ e− γ with the Crystal Ball/TAPS detectors at the Mainz Microtron. Phys. Rev. C 89 no.4 (2014) 044608
  P. Aguar-Bartolome et al. [A2 Collaboration]
  
• The electric and magnetic form factors of the proton. Phys. Rev. C 90 (2014) 015206
  J. C. Bernauer et al. [A1 Collaboration]
  
• Measurement of the e+ e− → π + π − cross section between 600 and 900 MeV using initial state radiation. Phys. Lett. B 753 (2016) 629
  M. Ablikim et al. [BESIII Collaboration]
  
• Observation of 4Λ H Hyperhydrogen by Decay-Pion Spectroscopy in Electron Scattering. Phys. Rev. Lett., 114 (2015) 232501
  A. Esser, et al.
  
• Subtracted dispersion relation formalism for the two-photon exchange correction to elastic electron-proton scattering: Comparison with data. Eur. Phys. J. A 51 (2015) 2, 24
  O. Tomalak and M. Vanderhaeghen
  
• Lattice calculation of the pion transition form factor π 0 → γ ∗ γ ∗. Phys. Rev. D 94, no.7 (2016) 074507
  A. Gérardin, H. B. Meyer and A. Nyffeler
  
• Nucleon Polarizabilities: from Compton Scattering to Hydrogen Atom. Prog. Part. Nucl. Phys. 88 (2016) 29
  F. Hagelstein, R. Miskimen and V. Pascalutsa
  
• Dark Photon Search in the Mass Range Between 1.5 and 3.4 GeV/c2. Phys. Lett. B 774 (2017) 252
  M. Ablikim et al. [BESIII Collaboration]
  
• Determination of the scalar polarizabilities of the proton using beam asymmetry Σ3 in Compton scattering. Eur. Phys. J. A 53 (2017) 14
  V. Sokhoyan et al. [A2 Collaboration]
  
• First measurement of the polarization observable E and helicity-dependent cross sections in single π 0 photoproduction from quasi-free nucleons. Phys. Lett. B 770 (2017) 523
  M. Dieterle, F. Cividini et al. [A2 Collaboration]
  
• Measurement of the ω → π 0 e+ e− and η → e+ e− γ Dalitz decays with the A2 setup at MAMI. Phys. Rev. C 95 (2017) 035208
  P. Adlarson et al. [A2 collaboration]
  
• New Measurements of the Beam Normal Spin Asymmetries at Large Backward Angles with Hydrogen and Deuterium Targets. Phys. Rev. Lett. 119 (2017) 012501
  D. Balaguer Rios et al.
  
• Precise measurement of the e+ e− → π + π − J/ψ cross section at center-of-mass energies from 3.77 to 4.60 GeV. Phys. Rev. Lett. 118, no.9 (2017) 092001
  M. Ablikim et al. [BESIII Collaboration]
  
• Study of η and η’ Photoproduction at MAMI. Phys. Rev. Lett. 118, no.21 (2017) 212001
  V. L. Kashevarov et al. [A2 Collaboration]
  
• The hadronic vacuum polarization contribution to the muon g − 2 from lattice QCD. JHEP 1710 (2017) 020
  M. Della Morte, A. Francis, V. Gülpers, G. Herdoíza, G. von Hippel, H. Horch, B. Jäger, H. B. Meyer, A. Nyffeler and H. Wittig
  
• Two-photon exchange correction to 2S − 2P splitting in muonic 3 He ions. Phys. Rev. A 95, no. 1 (2017) 012506
  C. E. Carlson, M. Gorchtein and M. Vanderhaeghen
  
• η-η mixing in large-Nc chiral perturbation theory. Phys. Rev. D 95 (2017) 054023
  P. Bickert, P. Masjuan and S. Scherer
  
• Ab initio calculation of nuclear structure corrections in muonic atoms. J. Phys. G 45 (2018) 093002
  C. Ji, S. Bacca, N. Barnea, O. J. Hernandez and N. Nevo Dinur
  
• Dispersion Theory in Electromagnetic Interactions. Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 68 (2018) 75-103
  B. Pasquini and M. Vanderhaeghen
  
• Dissecting the hadronic contributions to (g − 2)µ by Schwinger’s sum rule. Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 072002
  F. Hagelstein and V. Pascalutsa
  
• Efficiency and timing performance of the MuPix7 high-voltage monolithic active pixel sensor. Nucl. Instrum. Meth. A 902 (2018) 158
  H. Augustin et al.
  
• Eta and Etaprime Photoproduction on the Nucleon with the Isobar Model EtaMAID2018. Eur. Phys. J. A 54, no.12 (2018) 210
  L. Tiator et al.
  
• Experimental study of the γp → π 0 ηp reaction with the A2 setup at the Mainz Microtron. Phys. Rev. C 97, no.5 (2018) 055212
  V. Sokhoyan et al. [A2 Collaboration]
  
• First measurement of the Q2 dependence of the beam-normal single spin asymmetry for elastic scattering off Carbon. Phys. Rev. Lett., 121 (2018) 022503
  A. Esser et al.
  
• Measurement of the decay η → π 0 π 0 η at MAMI. Phys. Rev. D 98 (2018) 012001
  P. Adlarson et al. [A2 collaboration]
  
• Precision electron beam polarimetry for next generation nuclear physics experiments. Int. J. Mod. Phys. E 27 (2018) 1830004
  K. Aulenbacher, E. Chudakov, D. Gaskell, J. Grames and K. D. Paschke
  
• Precision Study of η → γπ + π − Decay Dynamics. Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 242003
  M. Ablikim et al. [BESIII Collaboration]
  
• The P2 Experiment - A future high-precision measurement of the weak mixing angle at low momentum transfer. Eur. Phys. J. A 54 (2018) 208
  D. Becker et al.
  
• Deuteron photodisintegration by polarized photons in the region of the d∗ (2380). Phys. Lett. B 789 (2019) 7
  M. Bashkanov et al. [A2 Collaboration]
  
• Neutron skins of atomic nuclei: per aspera ad astra. J. Phys. G 46, no.9 (2019) 093003
  M. Thiel, C. Sfienti, J. Piekarewicz, C. J. Horowitz, M. Vanderhaeghen
  
• Second-order leptonic radiative corrections for lepton-proton scattering. Eur. Phys. J. A 55 (2019) 57
  R. D. Bucoveanu and H. Spiesberger
  
• The hadronic light-by-light contribution to the muon’s anomalous magnetic moment. Prog. Part. Nucl. Phys. 107 (2019) 20 - 68
  I. Danilkin, C. F. Redmer and M. Vanderhaeghen
  
• The leading hadronic contribution to (g − 2)µ from lattice QCD with Nf = 2 + 1 flavours of O(a) improved Wilson quarks. Phys. Rev. D 100, no.1 (2019) 014510
  A. Gérardin, Marco Cè, Georg von Hippel, et al.
  
• Extracting the spin polarizabilities of the proton by measurement of Compton doublepolarization observables. Phys. Rev. C 102, no.3 (2020) 035205
  D. Paudyal et al. [A2 Collaboration]
  
• Dispersive evaluation of the Lamb shift in muonic deuterium from chiral effective field theory. Phys. Rev. C 103, no.2 (2021) 024001
  B. Acharya, V. Lensky, S. Bacca, M. Gorchtein and M. Vanderhaeghen
  
• Isovector electromagnetic form factors of the nucleon from lattice QCD and the proton radius puzzle. Phys. Rev. D 103 (2021) 9, 094522
  D. Djukanovic, T. Harris, G. von Hippel, P. M. Junnarkar, H. B. Meyer, D. Mohler, K. Ottnad, T. Schulz, J. Wilhelm and H. Wittig
  
• Oscillating Features in the Electromagnetic Structure of the Neutron. Nature Physics (2021)
  M. Ablikim et al. [BES-III Collaboration]
  
• Search for the reaction channel e+ e− → ηc ηπ + π − at center-of-mass energies from 4.23 to 4.60 GeV. Phys. Rev. D 103 (2021) 032004
  M. Ablikim et al. [BESIII Collaboration]