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Theorie der starken Wechselwirkung (IKP-3)

IKP-3 / IAS-4

Die Theorie der starken Wechselwirkung ist die Quantenchromodynamik (QCD), eine nicht-abelsche Eichtheorie mit lokaler SU(3)-Farbsymmetrie. Die elementaren Bausteine der QCD sind die Quarks, von denen es 6 verschiedene Sorten gibt. Die Wechselwirkung wird durch Eichbosonen der Theorie, die Gluonen, vermittelt. Diese Wechselwirkung ist bei großen Abständen enorm stark und führt zum Einschluss ("Confinement") der Quarks in Nukleonen und Hadronen. Die Besonderheit und wissenschaftliche Herausforderung der QCD liegt in der Selbstwechselwirkung der Gluonen und der daraus resultierenden nicht-linearen Dynamik. Deren Erforschung ist eine der fundamentalen Fragestellungen der modernen Physik. Wir beschäftigen uns mit nicht-perturbativen Aspekten der QCD:

  • Struktur und Dynamik der Hadronen vermöge effektiver Feldtheorien und Gittersimulationen. Im Zentrum stehen die Berechnung von Resonanzen in der Gitter-QCD (in Zusammenarbeit mit dem TR 16 in Bonn: Projekt A.6) und die Theorie der hadronischen Moleküle, insbesondere im Charm-Sektor.
  • Struktur und Dynamik von Atomkernen. Hierzu entwickeln wir, basierend auf chiraler effektiver Feldtheorie, die Kräfte zwischen Nukleonen und wenden diese in Wenig- und Viel-Teilchen-Systemen (HUYIG) an. Insbesondere haben wir die Methode der nuklearen Gittersimulationen für ab initio Rechnungen von Atomkernen entwickelt.
  • Weiterhin werden mehr phänomenologische Studien zur Hadrondynamik in Reaktionen mit hadronischen und elektromagnetischen Proben sowie zur Wechselwirkung von Charm-Mesonen mit Materie durchgeführt.

Mittelfristige Arbeiten und Ziele

Die Themen der Arbeiten sind auf die experimentellen Möglichkeiten an COSY und auf Experimente an anderen Großgeräten der Mittelenergiephysik ausgerichtet. Schwerpunkte sind:

  • Separation von Vielteilcheneffekten und Quarkfreiheitsgraden in Kernstruktur und Kernreaktionen
  • Entwicklung und Anwendung von Theorien und Modellen auf den nichtperturbativen Bereich der Quantenchromodynamik (QCD)
  • Beschreibung der Struktur von Hadronen, deren Quarkinhalte und Wechselwirkung im Rahmen von

    • effektiven Meson-Baryon-Lagrangian
    • effektive Quarktheorien
    • nichtlineare Mesonenfeldtheorien
    • Schwerpunkte

      • ein besseres Verständnis der Isospinverletzung in hadronischen Reaktionen
      • Formulierung der Verbindung zur chiralen Störungstheorie mit Dispersionsrelationen
  • Zusammenhang zwischen Meson-Austauschmodellen und der chiralen Störungstheorie
  • elektromagnetische Prozesse bei hochenergetischen Nukleon-Nukleon- und Kern-Kern-Stößen
  • elektromagnetische Prozesse bei hochenergetischen Hadronreaktionen
  • Modifikationen der Hadronen in Kernen
  • hochenergetische Elektron-Nukleon-Reaktionen
  • Chaos und Kollektivität in Atomkernen

Geplante Arbeiten

  • Fortführung der Analyse von COSY-Experimenten und der dazu komplementären photonuklearen Experimente am Mainzer Mikrotron (MAMI, Univ. Mainz), am Elektronen-Stretcher-Beschleuniger (ELSA, Univ. Bonn) und im Jefferson Lab.
  • Mesonproduktion an den jeweiligen Schwellen
  • Mesonproduktion in der πN-Streuung und in photonuklearen Reaktionen zur Aufklärung der Struktur der Nukleonresonanzen
  • Im Rahmen des Jülicher Mesonaustauschmodelles wird die Photoproduktion von π, η und η' und die Erzeugung von η und η'-Mesonen sowie der Vektormesonen ω und φ und 2 Pionen in Proton-Proton-Stößen untersucht
  • Die Berechnung hadronischer Formfaktoren sowohl im raumartigen als auch im zeitartigen Bereich in dem selben Modell wird fortgesetzt
  • Die Arbeiten im Rahmen der chiralen Störungstheorie konzentrieren sich auf die Verwendung von Dispersionsrelationen bei der Berechnung der π N-Streuung und der Pion-Photoproduktion
  • Erweiterung auf Spin-3/2-Felder mit Anwendung auf elektroschwache Formfaktoren und Pionproduktion
  • Außerdem werden die Isospinverletzung in der πN-Streuung, chirale Nukleon-Nukleon-Potentiale und die Renormierung effektiver Feldtheorien untersucht
  • Die Anwendung der Coulombdissoziationsmethode auf Fragen der astrophysikalischen Nukleonsynthese wird weiter vorangetrieben (die ist insbesondere interessant für die neue Generation von Strahlen exotischer (radioaktiver) Kerne (abseits des Stabilitätstals))
  • Die Bremsstrahlung bei Hadron-Hadron-Stößen hoher Energie soll weiter untersucht werden. Im Jülicher Kaon-Nukleon- und Hyperon-Nukleon-Potential wird der korrelierte Zwei-Meson-Austausch berücksichtigt. Diese Potentiale werden dann in der Strangeness-Produktion bei Proton-Proton-Stößen verwendet. Die selbstkonsistente Migdaltheorie wird numerisch umgesetzt und auf Kerne mit großem Protonen- bzw. Neutronen-Überschuss angewendet
  • Untersuchungen der nuklearen Modifikationen der Spin-Strukturfunktionen des Nukleons im Deuteron, sowie die Berechnung von Tensor-Polarisationsobservablen in der Proton-Deuteron-Streuung, die an COSY studiert werden können
  • Vollständige Berechnung der Quark-Verteilungen im Reggeon, sowie die Berechnung der nuklearen Modifikationen der Valenzquarkverteilungen von gebundenen Nukleonen;
  • Untersuchung von Spin-Effekten in der diffraktiven Produktion von Vektormesonen und der In-Mediummodifikationen von Vektormesonen, die durch Colour-Transparency verursacht werden
  • Berechnung von kurzreichweitigen QCD-Mechanismen der η'- Produktion bei COSY
  • Ein weiteres Ziel ist die Berechnung der Flavorasymmetrie in der Seequarkverteilung und der Strangeness- und Charm-Inhalt des Protons

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