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Europäische Wissenschaftler bestätigen Masse der Erde

Physiker aus Deutschland, Frankreich und Ungarn haben in einer durch die EU unterstützten Studie stichhaltig demonstriert, dass das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, eine Theorie zur Beschreibung der grundlegenden Wechselwirkungen zwischen den das sichtbare Universum...

Physiker aus Deutschland, Frankreich und Ungarn haben in einer durch die EU unterstützten Studie stichhaltig demonstriert, dass das Standardmodell der Elementarteilchenphysik, eine Theorie zur Beschreibung der grundlegenden Wechselwirkungen zwischen den das sichtbare Universum ausmachenden Elementarteilchen, die Masse von Protonen und Neutronen akkurat erklärt. Die online in der Zeitschrift Science veröffentlichten Ergebnisse stellen einen der bisher größten rechnerischen Anstrengungen zur Berechnung der Masse der Teilchen dar und sind ein wesentlicher Fortschritt im Bereich der Physik. "Mehr als 99% der Masse des sichtbaren Universums besteht aus Protonen und Neutronen", heißt es in der Studie. "Beide Teilchen sind viel schwerer als ihre Bestandteile aus Quarks und Gluonen, und das Standardmodell der Teilchenphysik sollte diesen Unterschied erklären." Dr. Andreas S. Kronfeld vom Nationalen Fermi-Beschleunigerlabor in den USA erklärte, weil Atomkerne fast die gesamte Masse der Welt ausmachen und weil diese Kerne aus Quarks und Gluonen bestehen, haben "die Physiker lange angenommen, dass die Masse des Kerns aus der komplizierten Art und Weise resultiert, wie die Gluonen die Quarks, entsprechend der Gesetze der Quantenchromodynamik (QCD) miteinander verbinden". Die Physiker fingen mit der Betrachtung der Grundlagen ganz vorne an und entwickelten Naturgesetze durch die Lupe der QCD. QCD ist eine Theorie zur Beschreibung der "starken Kernkraft" oder der Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen. Da die Zahl der tatsächlichen und virtuellen Wechselwirkungen zwischen Gluonen und Quarks im Billionen-Bereich geschätzt werden, sind numerische Berechnungen nach der Standard-QCD allerdings außerordentlich schwierig (oder sogar unmöglich). Die Forscher nutzten einen neuen Ansatz mit der Bezeichnung Gitter-QCD, wobei Zeit und Raum in eine Art Gitter oder Grid "ausgebügelt" wurden. Dieser Ansatz ermöglichte ihnen, alle benötigten physikalischen Faktoren einzuarbeiten, numerische Annäherungen einzuschränken und ein umfassendes Fehlerbudget in ihren Berechnungen der Hadronenmasse (d.h. von Protonen, Neutronen und Pionen) zu bieten. "Das Gitter reduziert alles, was wir berechnen würden, auf Integrale, die im Grunde numerisch mit einem Computer berechnet werden können", erklärte Dr. Kronfeld. Daher waren die Autoren der Studie erstmals in der Lage, Quark-Antiquark-Paare in ihre Berechnungen einzubeziehen, eine der größeren Komplexitäten der starken Kernkraft. Dr. Kronfeld zufolge zeigen die Berechnungen, dass, "selbst wenn die Masse der Quarks verschwindet, sich die Masse der Kerne nicht sehr verändern würde, ein Phänomen, das manchmal als 'Masse ohne Masse' bezeichnet wird''. "Da diese genauen Berechnungen mit Labormessungen übereinstimmen, wissen wir jetzt und nehmen nicht nur an, dass die Quelle der Masse der alltäglichen Materie die Quantenchromodynamik ist", schlussfolgern die Autoren. Ihre Ergebnisse bestätigen, dass das Standardmodell den Ursprung der Hadronenmasse korrekt beschreibt. Da diese Teilchen den Großteil des sichtbaren Universums ausmachen, kann man davon ausgehen, dass mit dem Standardmodell die Masse von Sonne, Erde und von allem, was sie umfasst, genau geschätzt werden kann. Die wichtigste Beobachtung der Studie besteht darin, dass Gitter-QCD-Studien "eine Stufe erreicht haben, auf der alle systematischen Fehler vollständig kontrolliert werden können". Die Physiker behaupten, dass Gitter-QCD "bei der Entwirrung unbekannter physikalischer Abläufe, die mit QCD-Effekten verflochten sind, eine große Rolle spielen wird". Die Art und Weise, wie die Natur Quarkmassen erzeugt, ist eines der Themen, an denen die Physiker am Large Hadron Collider interessiert sind.

Länder

Deutschland, Frankreich, Ungarn

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