Suche nach seltsamen Vier-Quark-Zuständen im Charmonium-Sektor an BESIII

• Antragsteller: Professor Dr. Alfons Khoukaz
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443159800

Die Suche nach exotischen Hadronen, d.h. Zustände, welche nicht in das konventionelle Schema passen, in welchem Drei-Quark-Zustände mit Baryonen und Quark-Antiquark-Zustände mit Mesonen gleichgesetzt werden, ist ein hochaktuelles Thema in der Hadronenspektroskopie. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll anhand bereits existierender als auch neuer Daten des BESIII-Experiments nach dem Z_cs gesucht werden, dem fehlenden seltsamen Partner des etablierten und exotischen Vier-Quark-Zustandes Z_c. In einem aktuellen Übersichtsartikel wurde diese Suche nach dem Z_cs als eine der wichtigsten Aufgaben der Hadronenspektroskopie für die kommenden Jahre bezeichnet.Über QCD-Summenregeln wurden seitens der Theorie bereits die Masse als auch die Zerfallsbreiten für vier Zerfallskanäle des leichtesten Z_cs mit J^P=1^+ vorhergesagt. Zwei dieser Zerfälle beinhalten hierbei Endzustände mit Charmonium-Zuständen, wohingegen in den beiden anderen Endzuständen D-Mesonen auftreten. Es ist beabsichtigt, über den Nachweis dieser vier Zerfallskanäle nach dem Z_cs zu suchen, wobei dieses Teilchen zusammen mit einem geladenen Kaon in Elektron-Positron-Annihilationen produziert werden soll. Die sehr komplexen Analysen sollen hierbei von zwei Doktoranden/innen durchgeführt werden. Hierbei wird sich die erste Arbeit mit den beiden Endzuständen beschäftigen, in denen D-Mesonen entstehen, wohingegen im Rahmen der zweiten Arbeit Endzustände mit Charmonium-Zuständen analysiert werden. Diese Analysen werden somit einerseits komplementär zueinander sein, erfordern aber insbesondere in der finalen Interpretation eine enge Zusammenarbeit. Mit dem BESIII Experiment wurden in Elektron-Positron-Kollisionen bereits 17 1/fb an Daten im Energiebereich von 4.0 GeV bis 4.6 GeV für die Spektroskopie von Exotischen Teilchen im Charmonium-Sektor aufgezeichnet. Nach einem bereits erfolgten Ausbau des Beijing Electron Positron Colliders II (BEPCII) werden in einer folgenden Messperiode von Oktober 2019 bis Juni 2020 neue Daten im Energiebereich von 4.6 GeV bis 4.7 GeV aufgenommen, welche für die geplanten Messungen von höchstem Interesse sein werden. Unter der Annahme, dass das hypothetische Z_cs in ähnlicher Weise an den Kanal e+e- → J/ψ K+K- koppelt wie das Z_c(3900) an den Kanal e+e- → J/ψ π+π-, wird eine Beobachtung des Z_cs über den Zerfall in ein J/ψ und ein geladenes Kaon erwartet. Dies würde die erste Beobachtung des Z_cs darstellen, welche ebenso bahnbrechend wäre, wie die Entdeckung des Z_c(3900), welche 2013 von der APS Physics als eine der wichtigsten Entdeckungen ausgewählt wurde, und welche die meistzitierte BESIII-Publikation darstellt. Darüber hinaus sind die drei anderen Zerfallskanäle von gleicher Bedeutung, da diese nicht nur ein Entdeckungspotential für das Z_cs bieten, sondern hier auch nach neuen Vektorresonanzen gesucht werden kann, welche in Elektron-Positron-Annihilationen entstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen