Forschung

1. Hadronische Wirkungsquerschnitte

Das anomale magnetische Moment des Myons ist eine sehr genau gemessene Größe des Standardmodell. Dennoch weicht die theoretische Vorhersage vom experimentell gemessenen Wert um mehr als drei Standardabweichungen voneinander ab. Damit stellt dieses Phänomen die größte bisher beobachtete Abweichung vom Standardmodell der Teilchenphysik dar. Eines der großen Ziele hier in Mainz ist es, die Präzision zu erhöhen um die Existenz von Physik jenseits des Standardmodells experimentell zu bestätigen oder zu widerlegen. Hierfür werden die Beiträge der starken Wechselwirkung zum theoretischen Wert des anomalen magnetischen Moment des Myons betrachtet. Sie können nicht störungstheoretisch berechnet werden und liefern den größten Beitrag zum Fehler der theoretische Vorhersage. Unter Verwendung des optischen Theorems können diese Beiträge und ihr Fehler aber experimentell bestimmt werden. Hierzu werden hadronische Wirkungsquerschnitte am BES-III Detektor in Peking sehr präziese vermessen. In Mainz werden vor allem Wirkungsquerschnitte von Kanälen mit leichten Mesonen, d.h. z.B. von geladenen Pionen, neutralen Pionen untersucht. Diese Wirkungsquerschnitte hängen mit raumartigen Formfaktoren zusammen. Hierbei wird die "initial state radiaton" (ISR) Methode verwendet. Mit Hilfe dieser Methode kann der Wirkungsquerschnitt nicht nur bei der festen Schwerpunktsenergie des Beschleunigers gemessen werden, sondern für ein ganzes Energiespektrum bis zur Schwerpunktsenergie. Diese Messungen haben außerdem einen Einfluss auf die Präzision der Feinstrukturkonstante. 

2. Elektromagnetische Formfaktoren der Baryonen

Die gewöhnliche Materie besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Anders als die Elektronen sind Protonen und Neutronen keine Elementarteilchen, sondern sie bestehen aus Quarks und Gluonen. Protonen und Neutronen (Nukleonen) haben ähnliche Eigenschaften bezüglich der starken Wechselwirkung. Formfaktoren sind Größen, die zusammengesetzte Teilchen beschreiben, und hängen von der Energieskala ab, bei der die Teilchen untersucht werden. Es existieren zwei
elektromagnetische Formfaktoren des Nukleons oder der Baryonen im Allgemeinen: der elektrische und der magnetische Formfaktor. Die durch Streuexperimente zugänglichen elektromagnetischen Formfaktoren des Nukleons (Abb. 1 links) bieten detaillierte Informationen über die Ladungs- und Stromdichteverteilung im Nukleon. Die Arbeit des Helmholtz-Instituts Mainz (AG Prof. Maas) am BESIII-Experiment konzentriert sich auf die Messung der elektromagnetischen Baryonformfaktoren im "zeitartigen Bereich" durch Elektron-Positron-Annihilation (Abb. 1 rechts). Zur Trennung zwischen elektrischem und magnetischem Formfaktor wird eine präzise Messung der Winkelverteilung des erzeugten Baryon-Antibaryon-Paares benötigt. Da die Formfaktoren von der in der Reaktion zur Verfügung stehenden Energie (oder dem durch das virtuelle Photon übertragenen Viererimpuls) abhängen, muss die Messung bei möglichst vielen Impulsüberträgen durchgeführt werden. Bei BESIII gibt es zwei Möglichkeiten, mehrere Impulsüberträge zu erhalten. Entweder verändert man die Strahlenergie des Colliders oder man lässt bei konstanter Strahlenergie die Energie der annihilierenden Teilchen durch Abstrahlung reeller Photonen variieren (Anfangszustandsstrahlung oder "initial state radiation", Abb. 2). In unserer Arbeitsgruppe werden zur Messung der elektromagnetischen Nukleon- und Hyperonformfaktoren  (Hyperonen sind Baryonen mit Strangeness) beide Vorgehensweisen verfolgt. Wir freuen uns über neue Bachelor- und Master-Studenten sowie Doktoranden, die an diesen Themen interessiert sind, und heißen sie herzlich in unserer Arbeitsgruppe willkommen. 

3. γγ Physik

In der Vernichtung von Elektronen und Positronen lassen sich auf Grund der Quantenzahlen skalare und pseudoskalare Mesonen nicht direkt produzieren. Tauschen die Leptonen jedoch zwei anstatt, wie bei ihrer Vernichtung, nur einen Photon aus, so können diese Photonen zu Mesonen fusionieren, deren Quantenzahlen verschieden von 1- sind. Der Produktionswirkungsquerschnitt dieser Mesonen ist dabei abhängig von ihrem elektromagnetischen Übergangsformfaktor. Ziel des γγ Physikprogrammes an BES-3 ist es die Produktionsquerschnitte zu vermessen und daraus die Formfaktoren im raumartigen Bereich zu bestimmen. Die genaue Kenntnis der Übergangsformfaktoren erlaubt nicht nur Schlüsse auf die elektromagnetische Struktur der Mesonen zu ziehen, sondern ist auch ein wichtiger Beitrag für die präzise theoretische Vorhersage des anomalen magnetischen Moment des Myons aμ. Die größten Unsicherheiten in der Vorhersage ergeben sich aus den hadronischen Beiträgen, von denen einer die hadronische Licht-an-Licht Streuung ist. Zur Messung der Formfaktoren an BES-3 werden die Daten genutzt, die auf der ψ(3770) Resonanz genommen wurden. Es ist geplant eine integrierte Luminosität von insgesamt 10 fb-1 bei dieser Schwerpunktsenergie zu sammeln. Dies ermöglicht die Bestimmung der Formfaktoren bei Impulsüberträgen von bis zu 10 GeV2 mit einer statistischen Präzision, die mit der des CLEO Experimentes vergleichbar ist. Darüberhinaus werden zu ersten Mal Messungen bei Impulsüberträgen unter 1.5 GeV2 vorgenommen, einem Bereich, der für die hadronische Licht-an-Licht Streuung besonders relevant ist. 

4. Zerfaelle von D Mesonen

BESIII bietet ideale Bedinungen zur Untersuchung von D Zerfällen. BESIII hat das weltweit bisher größe Datensample mit einer Schwerpunktsenergie von 3.77GeV aufgezeichnet. Auf dieser Energie liegt die Ψ(3770) Resonanz, welche die besondere Eigenschaft besitzt fast vollständig nach D0/D0bar und D+/D- zu zerfallen. Dadurch entstehen quantenkorrelierte D Mesonen in einer Umgebung mit wenig Untergrund. Die Quantenkorrelation ist speziell zum Test der CP Symmetrie von großem Nutzen, da der CP Eigenzustand eines D Mesons den CP Zustand des anderen eindeutig festlegt. Mit Hilfe von Dalitzplotanalysen kann desweitern die innere Zerfallsstruktur untersucht und Kopplungsparameter vermessen werden. Als Beispiel ist hier ein Dalitzplot fuer den Zerfall D+→ K-π+π- gezeigt. Eine besondere Klasse von D Zerfällen stellen die semi-leptonischen Zerfälle dar, wie etwa D+→K- π+ e+ ν. Mit ihrer Hilfe lassen sich die Eigenschaften des Hadronensystems(z.B. Kπ) in Abhängigkeit der Schwerpunktsenergie des Systems messen, welche abhängig vom Impuls des Lepton variiert. BES-dalitzPlot