Quantum Field Theory Approaches to Meson Structure

Abstract

Meson spectroscopy became one of the most interesting topics in particle physics in the last ten years. In particular, the discovery of new unexpected states in the charmonium spectrum which cannot be simply explained by the constituent quark model attracted the interest of many theoretical efforts.

In the present thesis we discuss different meson structures ranging from light and heavy quark-antiquark states to bound states of hadrons-hadronic molecules. Here we consider the light scalar mesons f0(980) and a0(980) and the charmonium-like Y(3940), Y(4140) and Z(4430) states. In the discussion of the meson properties like mass spectrum, total and partial decay widths and production rates we introduce three different theoretical methods for the treatment and description of hadronic structure.

For the study of bound states of mesons we apply a coupled channel approach which allows for the dynamical generation of meson-meson resonances. The decay properties of meson molecules are further on studied within a second model based on effective Lagrangians describing the interaction of the bound state and its constituents. Besides hadronic molecules the effective Lagrangian approach is also used to study the radiative and strong decay properties of ordinary quark-antiquark states.

The AdS/QCD model forms the completion of the three theoretical methods introduced in the present thesis. This holographic model provides a completely different ansatz and is based on extra dimensions and string theory. Within this framework we calculate the mass spectrum of light and heavy mesons and their decay constants.

Meson-Spektroskopie ist eines der interessantesten Themen in der Teilchenphysik. Vor allem durch die Entdeckung von zahlreichen neuen Zuständen im Charmonium Spektrum mit Eigenschaften, die nicht durch das Konstituenten Quark Modell erklärt werden können, hat das Interesse zahlreicher theoretischer Untersuchungen auf dieses Thema gelenkt.

In der vorliegenden Dissertation werden verschiedene Mesonstrukturen diskutiert, die von leichten und schweren Quark-Antiquark Mesonen bis hin zu gebundenen Zuständen von Hadronen, sogenannten Hadronischen Molekülen, im leichten und schweren Sektor reichen. Für die Untersuchung der Mesoneneigenschaften wie Massenspektrum, totale und partielle Breiten sowie Produktionsraten verwenden wir drei verschiedene theoretische Modelle.

Gebundene Zustände von Mesonen werden zunächst in einem Modell untersucht, das auf gekoppelten Meson Kanälen basiert, bei der Meson-Meson Resonanzen dynamisch generiert werden. Die Zerfallseigenschaften von Mesonmolekülen werden anschließend in einem zweiten Modell analysiert. Die Basis dieses zweiten Zugangs bilden effektive Lagrangedichten, die die Wechselwirkung zwischen den hadronisch gebundenem Zustand und dessen Konstituenten beschreibt. Neben den Mesonmolekülen betrachten wir auch die radiativen und starken Zerfallseigenschaften herkömmlicher Quark-Antiquark Mesonen in diesem phänomenologischen Modell.

Den Abschluss der drei theoretischen Methoden, die hier vorgestellt werden, wird von einem AdS/CFT Modell gebildet. Dieses holographische Modell unterscheidet sich fundamental von den beiden vorher diskutierten Ansätzen, da zusätzliche Dimensionen und Elemente aus der String Theorie enthalten sind. Wir berechnen das Massenspektrum leichter und schwerer Mesonen und deren Zerfallskonstanten im Rahmen dieses Modells.