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
  Pascalutsa, Vladimir; Pauk, Vladyslav & Vanderhaeghen, Marc
  
• Anomalous magnetic moment of the muon in a dispersive approach. Phys. Rev. D 90 (2014) 113012
  Pauk, Vladyslav & Vanderhaeghen, Marc
  
• 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
  Aguar-Bartolomé, P.; Annand, J. R. M.; Arends, H. J.; Bantawa, K.; Beck, R.; Bekrenev, V.; Berghäuser, H.; Braghieri, A.; Briscoe, W. J.; Brudvik, J.; Cherepnya, S.; Codling, R. F. B.; Collicott, C.; Costanza, S.; Denig, A.; Downie, E. J.; Drexler, P.; Fil'kov, L. V.; Fix, A.; ... & Zehr, F.
  
• The electric and magnetic form factors of the proton. Phys. Rev. C 90 (2014) 015206
  Bernauer, J. C.; Distler, M. O.; Friedrich, J.; Walcher, Th.; Achenbach, P.; Ayerbe Gayoso, C.; Böhm, R.; Bosnar, D.; Debenjak, L.; Doria, L.; Esser, A.; Fonvieille, H.; Gómez Rodríguez de la Paz, M.; Friedrich, J. M.; Makek, M.; Merkel, H.; Middleton, D. G.; Müller, U.; Nungesser, L.; ... & Weinriefer, M.
  
• Observation of 4Λ H Hyperhydrogen by Decay-Pion Spectroscopy in Electron Scattering. Phys. Rev. Lett., 114 (2015) 232501
  Esser, A.; Nagao, S.; Schulz, F.; Achenbach, P.; Ayerbe Gayoso, C.; Böhm, R.; Borodina, O.; Bosnar, D.; Bozkurt, V.; Debenjak, L.; Distler, M. O.; Friščić, I.; Fujii, Y.; Gogami, T.; Hashimoto, O.; Hirose, S.; Kanda, H.; Kaneta, M.; Kim, E.; ... & Yoshida, K.
  
• 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
  Tomalak, O. & Vanderhaeghen, M.
  
• Lattice calculation of the pion transition form factor π 0 → γ ∗ γ ∗. Phys. Rev. D 94, no.7 (2016) 074507
  Gérardin, Antoine; Meyer, Harvey B. & Nyffeler, Andreas
  
• Measurement of the e+ e− → π + π − cross section between 600 and 900 MeV using initial state radiation. Phys. Lett. B 753 (2016) 629
  Ablikim, M.; Achasov, M.N.; Ai, X.C.; Albayrak, O.; Albrecht, M.; Ambrose, D.J.; Amoroso, A.; An, F.F.; An, Q.; Bai, J.Z.; Baldini Ferroli, R.; Ban, Y.; Bennett, D.W.; Bennett, J.V.; Bertani, M.; Bettoni, D.; Bian, J.M.; Bianchi, F.; Boger, E.; ... & Zou, J.H.
  
• Nucleon Polarizabilities: from Compton Scattering to Hydrogen Atom. Prog. Part. Nucl. Phys. 88 (2016) 29
  Hagelstein, Franziska; Miskimen, Rory & Pascalutsa, Vladimir
  
• Dark Photon Search in the Mass Range Between 1.5 and 3.4 GeV/c2. Phys. Lett. B 774 (2017) 252
  Ablikim, M.; Achasov, M.N.; Ai, X.C.; Albayrak, O.; Albrecht, M.; Ambrose, D.J.; Amoroso, A.; An, F.F.; An, Q.; Bai, J.Z.; Baldini Ferroli, R.; Ban, Y.; Bennett, D.W.; Bennett, J.V.; Bertani, M.; Bettoni, D.; Bian, J.M.; Bianchi, F.; Boger, E.; ... & Zou, J.H.
  
• Determination of the scalar polarizabilities of the proton using beam asymmetry Σ3 in Compton scattering. Eur. Phys. J. A 53 (2017) 14
  Sokhoyan, V.; Downie, E. J.; Mornacchi, E.; McGovern, J. A.; Krupina, N.; Afzal, F.; Ahrens, J.; Akondi, C. S.; Annand, J. R. M.; Arends, H. J.; Beck, R.; Braghieri, A.; Briscoe, W. J.; Cividini, F.; Collicott, C.; Costanza, S.; Denig, A.; Dieterle, M.; Ferretti, M.; ... & Zana, L.
  
• 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
  Dieterle, M.; Witthauer, L.; Cividini, F.; Abt, S.; Achenbach, P.; Adlarson, P.; Afzal, F.; Ahmed, Z.; Akondi, C.S.; Annand, J.R.M.; Arends, H.J.; Bashkanov, M.; Beck, R.; Biroth, M.; Borisov, N.S.; Braghieri, A.; Briscoe, W.J.; Costanza, S.; Collicott, C.; ... & Zana, L.
  
• 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
  Adlarson, P.; Afzal, F.; Aguar-Bartolomé, P.; Ahmed, Z.; Annand, J. R. M.; Arends, H. J.; Bantawa, K.; Beck, R.; Berghäuser, H.; Biroth, M.; Borisov, N. S.; Braghieri, A.; Briscoe, W. J.; Cherepnya, S.; Cividini, F.; Collicott, C.; Costanza, S.; Danilkin, I. V.; Denig, A.; ... & Zana, L. A.
  
• New Measurements of the Beam Normal Spin Asymmetries at Large Backward Angles with Hydrogen and Deuterium Targets. Phys. Rev. Lett. 119 (2017) 012501
  Ríos, D. Balaguer; Aulenbacher, K.; Baunack, S.; Diefenbach, J.; Gläser, B.; von Harrach, D.; Imai, Y.; Kabuß, E.-M.; Kothe, R.; Lee, J. H.; Merkel, H.; Mora Espí, M. C.; Müller, U.; Schilling, E.; Weinrich, C.; Capozza, L.; Maas, F. E.; Arvieux, J.; El-Yakoubi, M. A.; ... & Prok, Y.
  
• 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
  Ablikim, M.; Achasov, M. N.; Ahmed, S.; Ai, X. C.; Albayrak, O.; Albrecht, M.; Ambrose, D. J.; Amoroso, A.; An, F. F.; An, Q.; Bai, J. Z.; Bakina, O.; Baldini Ferroli, R.; Ban, Y.; Bennett, D. W.; Bennett, J. V.; Berger, N.; Bertani, M.; Bettoni, D.; ... & Zou, J. H.
  
• Study of η and η’ Photoproduction at MAMI. Phys. Rev. Lett. 118, no.21 (2017) 212001
  Kashevarov, V. L.; Ott, P.; Prakhov, S.; Adlarson, P.; Afzal, F.; Ahmed, Z.; Akondi, C. S.; Annand, J. R. M.; Arends, H. J.; Beck, R.; Braghieri, A.; Briscoe, W. J.; Cividini, F.; Codling, R.; Collicott, C.; Costanza, S.; Denig, A.; Downie, E. J.; Dieterle, M.; ... & Zana, L.
  
• The hadronic vacuum polarization contribution to the muon g − 2 from lattice QCD. JHEP 1710 (2017) 020
  Morte, M. Della; Francis, A.; Gülpers, V.; Herdoíza, G.; von Hippel, G.; Horch, H.; Jäger, B.; Meyer, H.B.; Nyffeler, A. & Wittig, H.
  
• Two-photon exchange correction to 2S − 2P splitting in muonic 3 He ions. Phys. Rev. A 95, no. 1 (2017) 012506
  Carlson, Carl E.; Gorchtein, Mikhail & Vanderhaeghen, Marc
  
• η-η mixing in large-Nc chiral perturbation theory. Phys. Rev. D 95 (2017) 054023
  Bickert, P.; Masjuan, P. & Scherer, S.
  
• Ab initio calculation of nuclear structure corrections in muonic atoms. J. Phys. G 45 (2018) 093002
  Ji, C.; Bacca, S.; Barnea, N.; Hernandez, O. J. & Nevo Dinur, N.
  
• Dispersion Theory in Electromagnetic Interactions. Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 68 (2018) 75-103
  Pasquini, Barbara & Vanderhaeghen, Marc
  
• Dissecting the hadronic contributions to (g − 2)µ by Schwinger’s sum rule. Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 072002
  Hagelstein, Franziska & Pascalutsa, Vladimir
  
• Efficiency and timing performance of the MuPix7 high-voltage monolithic active pixel sensor. Nucl. Instrum. Meth. A 902 (2018) 158
  Augustin, Heiko; Berger, Niklaus; Dittmeier, Sebastian; Grzesik, Carsten; Hammerich, Jan; Hartenstein, Ulrich; Huang, Qinhua; Huth, Lennart; Immig, David Maximilian; Kiehn, Moritz; Kozlinskiy, Alexandr; Meier Aeschbacher, Frank; Meneses González, Annie; Perić, Ivan; Perrevoort, Ann-Kathrin; Schöning, André; Shrestha, Shruti; vom Bruch, Dorothea; Wauters, Frederik; ... & Wiedner, Dirk
  
• Eta and Etaprime Photoproduction on the Nucleon with the Isobar Model EtaMAID2018. Eur. Phys. J. A 54, no.12 (2018) 210
  Tiator, L.; Gorchtein, M.; Kashevarov, V. L.; Nikonov, K.; Ostrick, M.; Hadžimehmedović, M.; Omerović, R.; Osmanović, H.; Stahov, J. & Švarc, A.
  
• 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
  Sokhoyan, V.; Prakhov, S.; Fix, A.; Abt, S.; Achenbach, P.; Adlarson, P.; Afzal, F.; Aguar-Bartolomé, P.; Ahmed, Z.; Ahrens, J.; Annand, J. R. M.; Arends, H. J.; Bantawa, K.; Bashkanov, M.; Beck, R.; Biroth, M.; Borisov, N. S.; Braghieri, A.; Briscoe, W. J.; ... & Zana, L. A.
  
• First measurement of the Q2 dependence of the beam-normal single spin asymmetry for elastic scattering off Carbon. Phys. Rev. Lett., 121 (2018) 022503
  Esser, A.; Thiel, M.; Achenbach, P.; Aulenbacher, K.; Baunack, S.; Beričič, J.; Bosnar, D.; Correa, L.; Dehn, M.; Distler, M. O.; Fonvieille, H.; Friščić, I.; Gorchtein, M.; Heidrich, S.; Herrmann, P.; Hoek, M.; Kegel, S.; Kohl, Y.; Kolar, T.; ... & Sfienti, C.
  
• Measurement of the decay η → π 0 π 0 η at MAMI. Phys. Rev. D 98 (2018) 012001
  Adlarson, P.; Afzal, F.; Ahmed, Z.; Akondi, C. S.; Annand, J. R. M.; Arends, H. J.; Beck, R.; Borisov, N.; Braghieri, A.; Briscoe, W. J.; Cividini, F.; Collicott, C.; Costanza, S.; Denig, A.; Downie, E. J.; Dieterle, M.; Ferretti Bondy, M. I.; Gardner, S.; Garni, S.; ... & Zana, L. A.
  
• Precision electron beam polarimetry for next generation nuclear physics experiments. Int. J. Mod. Phys. E 27 (2018) 1830004
  Aulenbacher, Kurt; Chudakov, Eugene; Gaskell, David; Grames, Joseph & Paschke, Kent D.
  
• Precision Study of η → γπ + π − Decay Dynamics. Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 242003
  Ablikim, M.; Achasov, M. N.; Ahmed, S.; Ai, X. C.; Albayrak, O.; Albrecht, M.; Ambrose, D. J.; Amoroso, A.; An, F. F.; An, Q.; Bai, J. Z.; Ferroli, R. Baldini; Ban, Y.; Bennett, D. W.; Bennett, J. V.; Berger, N.; Bertani, M.; Bettoni, D.; Bian, J. M.; ... & Zou, J. H.
  
• The P2 Experiment - A future high-precision measurement of the weak mixing angle at low momentum transfer. Eur. Phys. J. A 54 (2018) 208
  Becker, Dominik; Bucoveanu, Razvan; Grzesik, Carsten; Imai, Kathrin; Kempf, Ruth; Molitor, Matthias; Tyukin, Alexey; Zimmermann, Marco; Armstrong, David; Aulenbacher, Kurt; Baunack, Sebastian; Beminiwattha, Rakitha; Berger, Niklaus; Bernhard, Peter; Brogna, Andrea; Capozza, Luigi; Covrig Dusa, Silviu; Deconinck, Wouter; Diefenbach, Jürgen; ... & Weitzel, Quirin
  
• Deuteron photodisintegration by polarized photons in the region of the d∗ (2380). Phys. Lett. B 789 (2019) 7
  Bashkanov, M.; Kay, S.; Watts, D.P.; Mullen, C.; Abt, S.; Achenbach, P.; Adlarson, P.; Afzal, F.; Ahmed, Z.; Akondi, C.S.; Annand, J.R.M.; Arends, H.J.; Beck, R.; Biroth, M.; Borisov, N.; Braghieri, A.; Briscoe, W.J.; Cividini, F.; Collicott, C.; ... & Zana, L.A.
  
• Neutron skins of atomic nuclei: per aspera ad astra. J. Phys. G 46, no.9 (2019) 093003
  Thiel, M.; Sfienti, C.; Piekarewicz, J.; Horowitz, C. J. & Vanderhaeghen, M.
  
• Second-order leptonic radiative corrections for lepton-proton scattering. Eur. Phys. J. A 55 (2019) 57
  Bucoveanu, R. -D. & Spiesberger, H.
  
• The hadronic light-by-light contribution to the muon’s anomalous magnetic moment. Prog. Part. Nucl. Phys. 107 (2019) 20 - 68
  Danilkin, Igor; Redmer, Christoph Florian & Vanderhaeghen, Marc
  
• 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
  Gérardin, Antoine; Cè, Marco; von Hippel, Georg; Hörz, Ben; Meyer, Harvey B.; Mohler, Daniel; Ottnad, Konstantin; Wilhelm, Jonas & Wittig, Hartmut
  
• Extracting the spin polarizabilities of the proton by measurement of Compton doublepolarization observables. Phys. Rev. C 102, no.3 (2020) 035205
  Paudyal, D.; Martel, P. P.; Huber, G. M.; Hornidge, D.; Abt, S.; Achenbach, P.; Adlarson, P.; Afzal, F.; Ahmed, Z.; Akondi, C. S.; Annand, J. R. M.; Arends, H. J.; Bashkanov, M.; Beck, R.; Biroth, M.; Borisov, N. S.; Braghieri, A.; Briscoe, W. J.; Cividini, F.; ... & Zana, L.
  
• Dispersive evaluation of the Lamb shift in muonic deuterium from chiral effective field theory. Phys. Rev. C 103, no.2 (2021) 024001
  Acharya, Bijaya; Lensky, Vadim; Bacca, Sonia; Gorchtein, Mikhail & Vanderhaeghen, Marc
  
• Isovector electromagnetic form factors of the nucleon from lattice QCD and the proton radius puzzle. Phys. Rev. D 103 (2021) 9, 094522
  Djukanovic, D.; Harris, T.; von Hippel, G.; Junnarkar, P. M.; Meyer, H. B.; Mohler, D.; Ottnad, K.; Schulz, T.; Wilhelm, J. & Wittig, H.
  
• Oscillating Features in the Electromagnetic Structure of the Neutron. Nature Physics (2021)
  Ablikim, M.; Achasov, M. N.; Adlarson, P.; Ahmed, S.; Albrecht, M.; Aliberti, R.; Amoroso, A.; An, Q.; Lavania, Anita; Bai, X. H.; Bai, Y.; Bakina, O.; Ferroli, R. B.; Balossino, I.; Ban, Y.; Begzsuren, K.; Berger, N.; Bertani, M.; Bettoni, D.; ... & Zou, J. H.
  
• 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
  Ablikim, M.; Achasov, M. N.; Adlarson, P.; Ahmed, S.; Albrecht, M.; Alekseev, M.; Amoroso, A.; An, F. F.; An, Q.; Bai, Y.; Bakina, O.; Baldini Ferroli, R.; Balossino, I.; Ban, Y.; Begzsuren, K.; Bennett, J. V.; Berger, N.; Bertani, M.; Bettoni, D.; ... & Zou, J. H.