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Probing Chiral Perturbation Theory from realistic two-flavour Lattice QCD simulations

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Elementarteilchen und der "Klebstoff", der sie zusammenhält

EU-geförderte Forscher entwickelten neue numerische Algorithmen, um das Verhalten leichter Quarks zu untersuchen. Quarks gehören zu den 12 fundamentalen Materieteilchen und werden durch die starke Wechselwirkung, eine der vier Fundamentalkräfte des Universums, beeinflusst.

Energie

Der Kern eines Atoms besteht aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen. Die positiven Ladungen der Protonen stoßen sich gegenseitig ab. Es muss also eine Erklärung geben, warum der Atomkern nicht auseinanderfällt, sondern zusammengehalten wird. Um zu verstehen, welche Vorgänge im Atomkern ablaufen, muss man sich ein wenig intensiver mit der Teilchenphysik beschäftigen, nämlich mit der Theorie des sogenannten Standardmodells und im Besonderen mit den Quarks. Dem Standardmodell der Teilchenphysik zufolge ist das Universum aus 12 Elementarteilchen (Fermionen) aufgebaut, die durch vier verschiedene Arten von Kraftteilchen beeinflusst werden (Bosonen, dazu gehört auch das bekannte Higgs-Boson). Die Quarks zählen zu den Fermionen. Es gibt sechs verschiedene Arten von Quarks. Quarks kommen ausschließlich in als Hadronen bezeichneten Gruppen und nicht einzeln vor. Die starke Kraft, die sie zusammenhält, wird von Bosonen aufgebracht, die die passende Bezeichnung Gluonen tragen. Die Gluonen wirken auf die Quarks wie starker Klebstoff. Die Quantenchromodynamik (QCD) ist der Bereich der theoretischen Physik, der sich mit den Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen beschäftigt. Manche Hadronen wie beispielsweise Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks und Gluonen. Es gibt schwere, mittelschwere und leichte Hadronen. Europäische Forscher initiierten das Projekt "Probing chiral perturbation theory from realistic two-flavour lattice QCD simulations" (LATQCD-CHIPT) und entwickelten numerische Simulationen zur Beschreibung des Verhaltens leichter Hadronen. Die Forscher beschäftigten sich vorrangig mit dem Problem der Ergodizität. Die Ergodizität ist eine Eigenschaft stochastischer und zufälliger dynamischer Systeme. Das System vergisst seinen Anfangszustand und fast alle Sequenzen werden über einen sehr langen Zeitraum erneut durchlaufen. Die Wissenschaftler entwickelten einen neuen Simulationsalgorithmus für das Verhalten leichter Quarks, das durch Instabilität und nicht-ergodische Phänomene gekennzeichnet ist. Das Fehlen der Ergodizität könnte durch die Entstehung nicht verbundener Sektoren im Feldraum (dargestellt als topologische Ladung) verursacht werden. Diesem Problem lässt sich durch die Untersuchung der Übergänge zwischen den Sektoren begegnen. Außerdem berechneten die Forscher genau die sogenannte topologische Suszeptibilität und definierten ihre Grenze und ihre Universalität innerhalb der Kontinuumsgrenze. Jede Information im Zusammenhang mit dem Verhalten der Materie- und Kraftteilchen bringt uns im Hinblick auf das Verständnis des Universums und die damit verbundenen Erklärungsversuche einen Schritt weiter. Genau dazu haben die EU-geförderten Forscher beigetragen.

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