Hadronenphysik
Experimentelle Hadronenphysik
Kurz nach dem Big Bang bestand das Universum nur aus den fundamentalen Bausteinen der Materie. Quarks und Gluonen fanden sich im Bruchteil einer Sekunde zusammen und bildeten die Protonen und Neutronen, oder Hadronen, wie der Oberbegriff für diese zusammengesetzten Teilchen heißt. Warum wir keine einzelnen Quarks und Gluonen beobachten und warum die Eigenschaften der Hadronen nicht nur die Summe der Eigenschaften der Bausteine sind, ist eine der Hauptfragestellungen der Hadronenphysik.
Um diesen Geheimnissen der Natur auf die Spur zu kommen, suchen wir in Experimenten an großen Beschleunigerzentren dieser Welt nach immer neuen Kombinationen der fundamentalen Bausteine in Hadronen, um aus diesen Puzzleteilen eine Beschreibung der heute beobachteten Welt und ihrer Gesetze zu erreichen. Die dabei von uns entwickelten modernsten Detektortechnologien erlauben eine Ausbildung von Studierenden in Experimentalphysik auf technologisch höchstem Niveau.
Experimentelle Physik der Hadronen und Kerne
Eine der zentralen Fragen der Physik ist die Zusammensetzung von Materie. Vor allem im Bereich der Hadronen, wozu die Protonen und Neutronen gehören, sind einige Phänomene bisher noch ungeklärt. Die Quantenchromodynamik (QCD), die theoretische Beschreibung der starken Wechselwirkung, ist in guter Übereinstimmung mit den meisten Messergebnissen. Allerdings sind weder die QCD selbst noch effektive Theorien oder Berechnungen im Rahmen der Gitter-QCD in der Lage, alle bisher gefundenen Zustände zuzuordnen und deren interne Struktur aufzuklären.
Neben der Verbesserung der theoretischen Beschreibung von Seiten der theoretischen Physik, ist es wichtig, zum einen nach neuen vorhergesagten oder nicht-vorhergesagten Zuständen zu suchen. Um nun theoretische Beschreibungen zu bestätigen oder auszuschließen, ist es auf der anderen Seite notwendig, gefundene Zustände präzise zu vermessen. Energie-Scan-Messungen erlauben die genaue Bestimmung der Masse und Breite von Zuständen, während die Partialwellenanalyse die Extraktion von zusätzlichen Eigenschaften wie des Spins und der Parität ermöglicht.
Um die Datenbasis zu verbessern, habe ich mich mit Kolleginnen und Kollegen weltweit zusammengeschlossen, um zum einen das PANDA-Experiment in Darmstadt aufzubauen und parallel dazu die Daten des BESIII-Experimentes in Beijing zu analysieren.
Theoretische Hadronen- und Teilchenphysik
Wir beschäftigen uns mit der Erforschung der Eigenschaften von stark wechselwirkender Materie. Im Vordergrund steht dabei die Aufklärung der inneren Struktur und Dynamik der aus Quarks und Gluonen – den fundamentalen Bausteinen unserer Materie – zusammengesetzten Hadrone und Atomkerne. Dabei liegt die besondere Herausforderung in der Stärke der durch Quantenchromodynamik beschriebenen Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen, die zum Versagen der üblichen Näherungsverfahren führt.
Zur theoretischen Untersuchung solcher stark wechselwirkenden hadronischen Systeme werden am Lehrstuhl insbesondere effektive Feldtheorien angewandt, die bestimmte Symmetrieeigenschaften der Quantenchromodynamik ausnutzen und einen systematischen und modellunabhängigen Zugang zu hadronischen Observablen ermöglichen. Diese analytischen Methoden werden mit numerischen Verfahren wie etwa Monte-Carlo-Simulationen der auf ein Gitter gesetzten Hadronen kombiniert, um Eigenschaften und Dynamik von Wenig-Baryon Systemen und Baryonenmaterie zu analysieren.
Weitere Forschungsthemen umfassen Quarkmassenabhängigkeit von hadronischen Observablen und ihre Folgen für die Kosmologie, elektroschwache Prozesse und Pionproduktion am Nukleon und an leichten Kernen, quantenfeldtheoretische Behandlung der Spin-3/2- Felder, Isospin-verletzende Effekte, Hyperon-Nukleon Wechselwirkung und Eigenschaften von Hyperkernen sowie Charmonium-Physik.
Theoretische Hadronenphysik
Die Arbeitsgruppe forscht in verschiedenen Zweigen der theoretischen Hochenergiephysik: von der Quantenchromodynamik (QCD) als der Theorie der Hadronen bis hin zu Modellen der fundamentalen Wechselwirkungen. Der Fokus unserer aktuellen Forschung liegt auf der Untersuchung nicht-perturbativer Effekte der QCD. Aufgrund einer geheimnisvollen Eigenschaft des Colour-Confinement ist die QCD eine der fesselndsten und dynamischesten Theorien, die es je gegeben hat. Es gibt äußerst zahlreiche bedeutende nicht-perturbative Phänomene in der QCD. Um diese zu verstehen, benutzen wir verschiedene Methoden der Quantenfeldtheorie.
Insbesondere behandeln wir topologisch nicht-triviale Feldkonfigurationen wie Solitonen und Instantonen. Aktuell beschäftigt uns die Möglichkeit, dass Protonen und Neutronen Solitonen chiraler Felder in der QCD darstellen. Ein solches Bild der Grundbausteine der Materie um uns herum erlaubt uns einen neuen Typ von Baryonen vorherzusagen - das Ө+ Pentaquark.
Eine andere Thematik, die uns zur Zeit fasziniert, ist die Anwendung tomographischer Methoden in der Hadronenphysik. Es scheint, dass diese Methoden uns den Weg ebnen können, um dreidimensionale Bilder der Hadronen zu erhalten.