SFB 1044: Die Niederenergie-Grenze des Standardmodells: Von Quarks und Gluonen zu Hadronen und Kernen
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
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevD.85.116001) - Anomalous magnetic moment of the muon in a dispersive approach. Phys. Rev. D 90 (2014) 113012
V. Pauk and M. Vanderhaeghen
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M. Thiel, C. Sfienti, J. Piekarewicz, C. J. Horowitz, M. Vanderhaeghen
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D. Djukanovic, T. Harris, G. von Hippel, P. M. Junnarkar, H. B. Meyer, D. Mohler, K. Ottnad, T. Schulz, J. Wilhelm and H. Wittig
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M. Ablikim et al. [BES-III Collaboration]
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M. Ablikim et al. [BESIII Collaboration]
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevD.103.032004)
