Die Struktur der Hadronen entschlüsseln: RWTH-Physiker validieren neuartigen Forschungsansatz
Ein Forschungsteam der RWTH Aachen hat gemeinsam mit internationalen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern eine erst kürzlich vorgeschlagene Methode zum besseren Verständnis der Zusammensetzung von Quarks im Innern von Hadronen in der Praxis erprobt und deren Wirksamkeit bestätigt. Hadronen sind Teilchen, die einen Großteil der sichtbaren Masse im Universum ausmachen.
Mit einem neuen Ansatz zur Untersuchung und Voraussage der inneren Struktur von subatomaren Teilchen, den Hadronen, kann nun eine bislang unerreichte Detailgenauigkeit erlangt werden. Damit eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für die Erforschung der Struktur von Hadronen. Zu diesem Ergebnis kommen Dr. Andrea Shindler, der diese neuartige Methode zuerst vorgeschlagen hatte, und seine Kolleginnen und Kollegen vom Institut für Theoretische Teilchenphysik und Kosmologie an der RWTH in Zusammenarbeit mit internationalen Forschenden. Die Ergebnisse wurden in zwei Publikationen in renommierten Fachzeitschriften beschrieben – zum einen unter dem Titel „Gradient flow for parton distribution functions: first application to the pion“ in Physical Review Letters und zum anderen unter dem Titel „Moments of parton distribution functions of the pion from lattice QCD using gradient flow“ in Physical Review D. Beide Veröffentlichungen wurden als „Editors’ Suggestions“ ausgezeichnet, eine Ehrung, die nur wenigen der eingereichten Arbeiten zuteilwird und deren besondere Bedeutung unterstreicht.
Die starke Wechselwirkung, auch als starke Kernkraft oder auch nur als starke Kraft bezeichnet, ist die stärkste der vier fundamentalen Naturkräfte (neben der Gravitation, dem Elektromagnetismus und der schwachen Wechselwirkung). Sie ist die grundlegende Kraft, die Atomkerne zusammenhält. Auf subatomarer Ebene bindet sie Quarks, die elementaren Bausteine der Materie, zu Protonen, Neutronen sowie weiteren Hadronen, wie den Pionen, den leichtesten Vertretern dieser Teilchenklasse.
Ein zentrales Ziel der modernen Kern- und Teilchenphysik ist es, zu verstehen, wie die starke Kraft die uns umgebende Materie hervorbringt. Dazu muss geklärt werden, wie sich Quarks innerhalb der Hadronen verteilen. Bislang wurde die Erreichung dieses seit langem angestrebten Ziels jedoch durch zwei wesentliche Faktoren erschwert: zum einen durch technische Limitationen, zum anderen durch Herausforderungen, die sich aus Quantenfluktuationen ergeben, also vorübergehenden, zufälligen Schwankungen auf sehr kleiner (subatomarer) Ebene.
Shindler und seine Kolleginnen und Kollegen nehmen Pions als Maßstab, wenden die kürzlich vorgeschlagene Methode an, die auf einem sogenannten „Gradient Flow“ basiert, und erschließen damit einen Detaillierungsgrad, der bisher außer Reichweite lag. Diese Methode glättet Quantenfluktuationen und umgeht die technischen Limitationen, die frühere Berechnungen eingeschränkt haben. Dadurch wird ein direkter Zugang zu detaillierten Merkmalen der Hadronenstruktur ermöglicht.
Mithilfe groß angelegter Supercomputersimulationen der Theorie der starken Kernkraft am Jülich Supercomputing Centre des Forschungszentrums Jülich können die Forschenden zeigen, dass ihre Ergebnisse mit experimentellen Messungen übereinstimmen und in einigen Fällen eine höhere Präzision erreichen. Dies belegt, dass zuvor unzugängliche Größen nun direkt auf Basis der fundamentalen Gesetze der Physik berechnet werden können, und so die Struktur der Hadronen in beispielloser Detailgenauigkeit abgebildet werden kann. Der an Pionen demonstrierte Ansatz lässt sich auch auf Protonen und Neutronen übertragen und ermöglicht so hochpräzise Untersuchungen ihrer Struktur. Gleichzeitig können wesentliche Unsicherheitsfaktoren bei Experimenten am Large Hadron Collider und an künftigen Anlagen wie dem Electron-Ion Collider verringert werden. Der neue Forschungsansatz könnte so zu einem tieferen Verständnis eines der grundlegenden Naturgesetze beitragen.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Andrea Shindler
Institut für Theoretische Teilchenphysik und Kosmologie
shindler@physik.rwth
aachen.de
Originalpublikation:
https://doi.org/10.1103/z3wr-zk8n
https://doi.org/10.1103/vw4v-nyvw
Ähnliche Pressemitteilungen im idw
