TRR 16:  Elektromagnetische Anregung subnuklearer Systeme

• Fachliche Zuordnung: Physik
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5486044

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zentrales Thema des transregionalen Sonderforschungsbereiches SFB/TR16 war die Untersuchung der Produktion und der Zerfälle von Baryonenresonanzen, die aus den leichten Quarks “up”, “down” und “Strange” bestehen. Während die zugrundeliegende Eichtheorie, die Quantenchromodynamik, sehr gut etabliert ist, stellt das Verständnis der Strukturbildung im nicht-störungstheoretisch behandelbaren Bereich der starken Wechselwirkung immer noch eine Herausforderung dar. Die fundamentalen Felder der QCD - die Quarks und die Gluonen - treten nur in Bindungszustanden (den Mesonen und Baryonen) auf. Fortschritt kann hier nur in einem engen Zusammenspiel von Theorie und Experiment erreicht werden, wie es im Rahmen des SFB/TR16 gegeben war. Wahrend sich die experimentellen Aktivitäten des SFB/TR16 stark auf die Untersuchung von Photoproduktionsreaktionen im Rahmen des Crystal Barrel/TAPS- und des BGO-OD-Experimentes an der Elektronenstrecheranlage ELSA fokussiert haben, um die Produktion und die Zerfälle von Baryonenresonanzen besser zu verstehen, sind in der Theorie effektive Feldtheorien, Gittereichsimulationen, Funktionalmethoden sowie Modelle zur Anwendung gekommen. Eine Brücke zwischen Experiment und Theorie stellt die Partialwellenanalyse der Daten dar, die im Rahmen dieses SFBs auch sehr erfolgreich vorangetrieben wurde. In einer interessanten Erweiterung dieses Programms wurde untersucht, inwiefern sich die Vakuum-Eigenschaften von Hadronen verändern, wenn diese in eine stark wechselwirkende Umgebung wie z.B. Kernmaterie eingebettet werden. Im Rahmen des SFB/TR16 konnte in all diesen Teilbereichen ganz entscheidende Fortschritte erzielt werden. Die Verfügbarkeit des polarisierten Targets sowie eines polarisierten Strahls haben z.B. die Messung von hochsensitiven Doppelpolarisationsobservablen möglich gemacht. Diese Polarisationsobservablen sind von entscheidender Wichtigkeit, möchte man Baryonenresonanzen und Informationen über deren Eigenschaften aus den Daten extrahieren. Die präzisen Photoproduktionsdaten, die an ELSA aufgenommen wurden, stellen einen ganz entscheidenden Teil der Datenbasis dar, die heute für Viel-Kanal-Partialwellenanalysen genutzt wird. Im Rahmen des SFB/TR16 wurden verschiedene Baryonenresonanzen erstmalig beobachtet und etabliert und die Eigenschaften bekannter oder auch weniger bekannter Resonanzen konnten mit immer besserer Genauigkeit bestimmt werden. Diese Ergebnisse, die ebenfalls in das “Review of Particle Properties” aufgenommen wurden, haben unser Verständnis des Spektrums der Baryonen ganz entscheidend verbessert. Die Theorie hat nicht nur durch ihre Unterstützung der im SFB/TR16 durchgeführten Experimente eine ganz entscheidende Rolle gespielt, sondern hat auch Entwicklungen vorangetrieben, die deutlich über den Fokus der Experimente hinausreichen. Als Beispiele für die Theorieaktivitäten im Rahmen des SFB/TR16 seien hier die systematischen Studien von Baryonenresonanzen basierend auf Meson-Baryon-Wechselwirkungen genannt, die dispersionstheoretische Analyse der elektromagnetischen Formfaktoren des Nukleons, NREFT und dispersionstheoretische Untersuchungen von Drei-Flavour-Mesonenzerfällen und deren Einfluss auf das (g - 2) des Muons, die auf der Roy-Steiner-Gleichungen basierende Analyse der Pion-Nukleon-Streuung inklusive einer hoch-präzisen Bestimmung des πN σ-Terms, die systematische Entwicklung von “finite volume” Methoden für die Gitter-QCD, Gitter-Studien der leichten pseudoskalaren Mesonen und der Vakuum-Topologie, Funktionalmethoden angewendet auf das Baryonenspektrum sowie wegweisende Entwicklungen in der effektiven Feldtheorie für Kernkräfte und Ströme. Ein weiterer wichtiger Bereich des SFB/TR16 war die Instrumentierung. Hier hat die kontinuierliche Forschung und Entwicklung im Bereich des Beschleunigers und des polärisierten Tärgets nicht nur zu interessanten Forschungsergebnissen geführt, sondern hat letztendlich auch den Elektronen- bzw. Photonenstrahl hoher Qualität und das polarisierte Target, welches natürlich für die durchgeführten Experimente von entscheidender Wichtigkeit war, überhaupt erst möglich gemacht. Das BGO-OD-Experiment wurde im Rahmen des SFB/TR16 aufgebaut und auch die Auslese des Crystal Barrel Kalorimeters ist entscheidend verbessert worden. Die Experimente werden damit auch in Zukunft weitere für die Baryonenspektroskopie wichtige Daten zur Verfügung stellen. Zusammenfassend haben die im Rahmen des SFB/TR16 erzielten Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der Quantenchromodynamik im nicht störungstheoretischen Bereich und der auf der QCD basierenden Strukturbildung beigetragen und werden dies auch in Zukunft tun. Der Erfolg des transregionalen Sonderforschungsbereiches “Elektromagnetische Anregung subnuklearer Systeme” der Ruhr-Universitat Bochum, der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universitat Bonn und der Justus-Liebig-Universitat Gießen, der durch die DFG am 01.07.2004 eingerichtet wurde, wird auch durch die mehr als 450 Publikationen in referierten Zeitschriften deutlich. Weiterhin haben mehr als 100 Doktoranden im Rahmen des SFB/TR16 erfolgreich promoviert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “A Coupled-channel analysis of KΛ production in the nucleon resonance region,” Phys. Rev. C 72 (2005) 015210
  V. Shklyar, H. Lenske and U. Mosel
  
• “Infrared regularization for spin-1 fields,” Eur. Phys. J. C 40 (2005) 97
  P. C. Bruns and U.-G. Meißner
  
• “Photoproduction of eta mesons off protons for 0.75-GeV < E(gamma) < 3-GeV,” Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 012004
  V. Crede et al. [CB-ELSA Collaboration]
  
• “Cusps in K → 3π decays,” Phys. Lett. B 638 (2006) 187
  G. Colangelo, J. Gasser, B. Kubis, A. Rusetsky
  
• “Electron spin resonance and its implication on the maximum nuclear polarization of deuterated solid target materials”, Phys. Rev. B 74 (2006) 134418
  J. Heckmann, W. Meyer, E. Radtke, G. Reicherz, S. Goertz
  
• “K−p scattering length from scattering experiments,” Phys. Rev. C 74 (2006) 055201
  B. Borasoy, U.-G. Meißner and R. Nißler
  
• “Dispersion analysis of the nucleon form-factors including meson continua,” Phys. Rev. C 75 (2007) 035202
  M. A. Belushkin, H.-W. Hammer and U.-G. Meißner
  
• “eta-photoproduction in the resonance energy region,” Phys. Lett. B 650 (2007) 172
  V. Shklyar, H. Lenske and U. Mosel
  
• “Measurement of the beam asymmetry in η-photoproduction off the proton,” Eur. Phys. J. A 33 (2007) 147
  D. Elsner et al. [CBELSA/TAPS Collaboration]
  
• “Further evidence for N(1900) P13 from photoproduction of hyperons,” Phys. Lett. B 662 (2008) 245
  V. A. Nikonov, A. V. Anisovich, E. Klempt, A. V. Sarantsev and U. Thoma
  
• “Modification of the ω-Meson Lifetime in Nuclear Matter,” Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 192302. Erratum: Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 199903
  M. Kotulla et al. [CBELSA/TAPS Collaboration]
  
• “Quasi-free photoproduction of eta-mesons of the neutron,” Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 252002
  I. Jaegle et al. [CBELSA and TAPS Collaborations]
  
• “Determination of the Dalitz plot parameter alpha for the decay η → 3π0 with the Crystal Ball at MAMI-B,” Eur. Phys. J. A 39 (2009) 169
  M. Unverzagt et al. [Crystal Ball at MAMI, TAPS and A2 Collaborations]
  
• “Linearly polarised photon beams at ELSA and measurement of the beam asymmetry in π0 photoproduction off the proton”, Eur. Phys. J. A 39 (2009) 373
  D. Elsner et al.
  
• “Modern Theory of Nuclear Forces,” Rev. Mod. Phys. 81 (2009) 1773
  E. Epelbaum, H. W. Hammer and U.-G. Meißner
  
• “Hadrons in strongly interacting matter,” Int. J. Mod. Phys. E 19 (2010) 147
  S. Leupold, V. Metag, U. Mosel
  
• “Chiral dynamics of the S11(1535) and S11(1650) resonances revisited,” Phys. Lett. B 697 (2011) 254
  P. C. Bruns, M. Mai and U.-G. Meißner
  
• “Scalar mesons in a finite volume,” JHEP 1101 (2011) 019
  V. Bernard, M. Lage, U.-G. Meißner and A. Rusetsky
  
• “Anomaly in the Ks0Σ+ photoproduction cross section off the proton at the K∗ threshold,” Phys. Lett. B 713 (2012) 180
  R. Ewald et al. [CBELSA/TAPS Collaboration]
  
• “Measuring the intensity and position of a pA electron beam with resonant cavities”, Phys. Rec. ST Accel. Beams 15 (2012) 112801
  T. Pusch et al.
  
• “Properties of baryon resonances from a multichannel partial wave analysis,” Eur. Phys. J. A 48 (2012) 15
  A. V. Anisovich, R. Beck, E. Klempt, V. A. Nikonov, A. V. Sarantsev and U. Thoma
  
• “Transparency ratio in γA → η′A′ and the in-medium η′ width,” Phys. Lett. B 710 (2012) 600
  M. Nanova et al. [CBELSA/TAPS Collaboration]
  
• “Well-established nucleon resonances revisited by doublepolarization measurements,” Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 102001
  A. Thiel et al. [CBELSA/TAPS Collaboration]
  
• “η and η′ mixing from Lattice QCD,” Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 181602
  C. Michael et al. [ETM Collaboration]
  
• “A framework for the calculation of the ΔNγ⋆ transition form factors on the lattice,” Nucl. Phys. B 886 (2014) 1199
  A. Agadjanov, V. Bernard, U.-G. Meißner and A. Rusetsky
  
• “First measurement of the helicity asymmetry for γp → pπ0 in the resonance region,” Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 012003
  M. Gottschall et al. [CBELSA/TAPS Collaboration]
  
• “Measurement of polarisation observables in Ks0Σ+ photoproduction off the proton,” Phys. Lett. B 738 (2014) 268
  R. Ewald et al. [CBELSA/TAPS Collaboration]
  
• “Pion cloud effects on baryon masses,” Phys. Lett. B 733 (2014) 151
  H. Sanchis-Alepuz, C. S. Fischer and S. Kubrak
  
• “The N(1520) 3/2- helicity amplitudes from an energy-independent multipole analysis based on new polarization data on photoproduction of neutral pions,” Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 062001
  J. Hartmann, H. Dutz et al. [CBELSA/TAPS Collaboration]
  
• “Baryon chiral perturbation theory extended beyond the low-energy region,” Eur. Phys. J. C 75 (2015) 499
  E. Epelbaum, J. Gegelia, U.-G. Meißner and D. L. Yao
  
• “Measurement of double polarisation asymmetries in ω-photoproduction,” Phys. Lett. B 750 (2015) 453
  H. Eberhardt et al. [CBELSA/TAPS Collaboration]
  
• “Non-perturbative Test of the Witten-Veneziano Formula from Lattice QCD,” JHEP 1509 (2015) 020
  K. Cichy et al. [ETM Collaboration]
  
• “Precision nucleon-nucleon potential at fifth order in the chiral expansion,” Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 122301
  E. Epelbaum, H. Krebs and U.-G. Meißner
  
• “Spectrum of three-body bound states in a finite volume,” Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 091602
  U.-G. Meißner, G. Rios and A. Rusetsky
  
• “The polarization observables T, P, and H and their impact on γp → pπ0 multipoles,” Phys. Lett. B 748 (2015) 212
  J. Hartmann, H. Dutz et al. [CBELSA/TAPS Collaboration]
  
• “Three-body nature of N∗ and Δ∗ resonances from sequential decay chains,” Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 091803
  A. Thiel et al. [CBELSA/TAPS Collaboration]
  
• “Upgrade of the inverted source of polarized electrons at ELSA”, J. Phys. Conf. Series 298 (2011) 012003
  D. Heiliger et al.
  
• “Baryons as relativistic threequark bound states,” Prog. Part. Nucl. Phys. 91 (2016) 1
  G. Eichmann, H. Sanchis-Alepuz, R. Williams, R. Alkofer and C. S. Fischer
  
• “Elastic pion-nucleon scattering in chiral perturbation theory: A fresh look,” Phys. Rev. C 94 (2016) 014620
  D. Siemens, V. Bernard, E. Epelbaum, A. Gasparyan, H. Krebs and U.-G. Meißner
  
• “Roy-Steiner-equation analysis of pionnucleon scattering,” Phys. Rept. 625 (2016) 1
  M. Hoferichter, J. Ruiz de Elvira, B. Kubis and U.-G. Meißner