Fortschritte beim Verständnis der Quark-Substruktur von Skalaren

In diesem Stadium der Evolution des Universums (etwa 14 Milliarden Jahre nach dem Urknall) wirken vier fundamentale Kräfte, die Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen der Materie verursachen.

Eine dieser Kräfte ist die Schwerkraft, die uns beispielsweise dazu bringt, uns um die Sonne zu drehen und die vier Jahreszeiten genießen zu können. Eine andere ist die elektromagnetische Kraft, die uns jeden Tag zugute kommt. Von der Glühbirne, die wir jede Nacht einschalten, bis zur Dynamik der Elektronen in unseren elektronischen Geräten werden sie alle von der elektromagnetischen Kraft angetrieben. Die beiden anderen Kräfte werden im Alltag weniger wahrgenommen, was aber nicht bedeutet, dass sie weniger wichtig sind.

Diese beiden Kräfte sind auf den Kern von Atomen beschränkt (Abstände um 10-15 m oder kleiner) und werden traditionell als „Kernkräfte“ bezeichnet. Eine davon ist die starke Kernkraft (die stärkste aller vier Kräfte), die dafür verantwortlich ist, den Kern intakt zu halten, indem sie seine Protonen und Neutronen aneinander bindet.

Ohne die starke Kernkraft würden sich keine Kerne bilden, würden wir nicht existieren und der Himmel wäre leer. Die andere ist die schwache Kernkraft, die dafür verantwortlich ist, einen Kern in einen anderen umzuwandeln und sie manchmal auseinander zu brechen. Wir profitieren von den Auswirkungen der schwachen Kernkraft in unseren Kernreaktoren.

Die Protonen und Neutronen sind Mitglieder einer großen Familie zusammengesetzter Teilchen, die Hadronen genannt werden, und sie bestehen alle aus Elementarteilchen, die Quarks genannt werden. Die Theorie, die die starke Wechselwirkung von Quarks beschreibt, heißt Quantenchromodynamik (QCD), wonach die Quarks an einer starken Wechselwirkung teilnehmen, indem sie vermittelnde Teilchen, sogenannte Gluonen, austauschen.

Dies ähnelt der Art und Weise, wie fundamental geladene Teilchen in der Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) durch den Austausch von Photonen an einer elektromagnetischen Wechselwirkung teilnehmen. Es gibt jedoch einige große Unterschiede zwischen QCD und QED, wie zum Beispiel die Tatsache, dass Photonen keine gebundenen Zustände bilden können, Gluonen jedoch im Prinzip aneinander binden und Verbundwerkstoffe bilden können, die als Glueballs bezeichnet werden.

Das theoretische Verständnis der Bildung und Wechselwirkungen von Glueballs mit Quark-Materie sowie deren experimenteller Nachweis sind ehrgeizige Ziele von beeindruckender Komplexität. Trotz mehrerer Nobelpreise für Physik, die bereits für die bemerkenswerten Entdeckungen in der Teilchenphysik im Zusammenhang mit QCD verliehen wurden, bleiben einige Aspekte offene Fragen und haben die theoretische Physik seit vielen Jahrzehnten herausgefordert. Dieses Problem wird vom Clay Mathematics Institute (www.claymath.org) als eines der sieben ungelösten Probleme in der Mathematik anerkannt, bekannt als Millennium Problems in Mathematics.

Die Hauptforschung von Amir Fariborz betrifft die starke Wechselwirkung von Quarks und deren Wechselwirkungen mit Glueballs. Modelle, die von Fariborz und Mitarbeitern entwickelt wurden, waren bei der Beschreibung experimenteller Daten weithin erfolgreich und erhielten bemerkenswerte Zitate in der Literatur. Weitere Informationen zur Forschung von Fariborz finden Sie in der Literaturdatenbank Inspire Hochenergiephysik.

In diesem kürzlich veröffentlichten Artikel in Das Europäische Physikalische Journal C Das verallgemeinerte lineare Sigma-Modell der QCD (entwickelt von Fariborz et al.) wird auf die Streuung von zwei speziellen Arten von Hadronen angewendet, die Pion (π) und Eta (η) genannt werden. Diese Streuung ist besonders wichtig, weil sie einen zusammengesetzten Zwischenzustand untersucht [called a0980] das Teil einer Familie von Hadronen ist, die Skalarmesonen genannt werden.

Diese zusammengesetzten Teilchen aus Quarks spielen eine besondere Rolle bei der QCD, indem sie eine Symmetrie in den dynamischen Gleichungen brechen, die als chirale Symmetrie bezeichnet wird. Das Verständnis der Quark-Substruktur von Skalaren wirft ein Licht auf die starke Wechselwirkung von Quarks und Gluonen. Diese jüngste Arbeit hat bestätigt, dass die leichten Skalarmesonen eine signifikante Vier-Quark-Komponente enthalten, eine Eigenschaft, die Skalarmesonen in die herausfordernde Kategorie der exotischen Hadronenspektroskopie einordnet.