Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben innovative Fortschritte in der Physik der starken Wechselwirkungen erzielt. Die Ergebnisse dieser Forschung, geleitet von Prof. Dr. Georg von Hippel und Dr. Konstantin Ottnad, wurden im renommierten Wissenschaftsjournal Physical Review Letters veröffentlicht. Diese Studien fokussieren sich auf die Quantenchromodynamik (QCD), die fundamentale Theorie hinter den starken Wechselwirkungen, die die Eigenschaften von Atomkernen erläutert.
Die QCD beschreibt die Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen, den Bausteinen von Protonen und Neutronen. Diese beiden Teilchen bestehen jeweils aus drei Quarks, welche in gebundenen Zuständen, bekannt als Hadronen, auftreten. Historisch gesehen, wurde 1964 von Murray Gell-Mann die Existenz der Quarks postuliert, für die er 1969 den Nobelpreis erhielt. Trotz ihrer grundlegenden Rolle in der Materie sind Quarks bislang nicht direkt beobachtet worden.
Fortschritte durch Gitter-QCD
In ihrer Forschung wenden die Wissenschaftler Gitter-QCD an, eine Methode, die es ermöglicht, die komplizierten Gleichungen der QCD auf einem diskreten Raster zu simulieren. Dies ist besonders nützlich, da die mathematischen Gleichungen der QCD auf herkömmlichem Weg äußerst schwer zu lösen sind. Gitter-QCD hat es ermöglicht, die Massen von Protonen und anderen Teilchen präziser zu berechnen und Einblicke in die frühen Universumsbedingungen, als Quarks und Gluonen frei existierten, zu gewinnen.
Die aktuellen Berechnungen haben die Genauigkeit der Ergebnisse um mehr als das Zehnfache im Vergleich zu früheren Studien erhöht. Besondere Aufmerksamkeit wurde einer zuvor schwer fassbaren Niederenergiekonstante gewidmet, die die Wechselwirkung des Pions mit dem Higgs-Feld beschreibt. Diese wurde nun erstmals exakt bestimmt. Der Einsatz von Supercomputern des Gauss Centre for Supercomputing e. V. sowie Mainzer Hochleistungsrechenclustern war entscheidend für den Erfolg dieser Berechnungen.
Zukünftige Ziele der Forschung
Neben der Bestimmung der bereits erwähnten Niederenergiekonstante sind die Zukünftigen Forschungsziele, die Radien von Kaonen zu bestimmen und die physikalischen Momente von Quarks besser zu verstehen. Die Arbeit bekräftigt die Bedeutung der starken Wechselwirkung, die in vielen Fällen die elektrische Abstoßung zwischen Protonen übertrifft. In der QCD zeigt sich auch das Konzept der asymptotischen Freiheit, das beschreibt, dass die Wechselwirkung zwischen Quarks bei kleinen Abständen abnimmt.
Die neuesten Ergebnisse der Mainzer Physiker erweitern damit nicht nur unser Verständnis der Quantenchromodynamik, sondern eröffnen auch neue Perspektiven für die experimentelle und theoretische Physik. Die bedeutenden Fortschritte in der Gitter-QCD und die reichen Informationen, die durch Computersimulationen generiert wurden, bekräftigen die zentrale Rolle dieser Theorie im Standardmodell der Elementarteilchenphysik.
Zusammenfassend sind die Arbeiten in Mainz ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie moderne Technologie und theoretische Physik zusammenwirken, um die tiefsten Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln und einen Einblick in die fundamentalen Kräfte der Natur zu gewinnen.
presse.uni-mainz.de berichtet, dass die genauen Berechnungen der Mainzer Physiker auf den komplexen theoretischen Grundlagen der Quantenchromodynamik basieren, die als Quantenfeldtheorie die starke Wechselwirkung beschreibt, während weltderphysik.de den historischen Kontext und die Herausforderungen bei der Lösung der QCD-Gleichungen beleuchtet.
