DESY-Theorieteam bestimmt starke Kraft mit höchster Genauigkeit

Das Leuchten von Sternen, die Bewegung von Planeten oder die Wechselwirkung von Atomen – es sind nur vier Grundkräfte, die für alle Wechselwirkungen von und in Materie verantwortlich sind. So unterliegt jedes physikalische Experiment, das wir auf der Erde in Laboren durchführen können – egal, wie klein oder groß –, diesen vier Kräften: der Gravitation, der schwachen Kraft, der elektromagnetischen Kraft und der starken Kraft, oft auch Kernkraft genannt. In einem Artikel im Fachjournal Nature hat ein Forschungsteam, dem auch DESY-Theoretiker angehören, nun die Stärke der starken Kraft mit beispielloser Genauigkeit bestimmt.

Die starke Kraft, die durch eine Theorie namens Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben wird, wirkt auf elementarer Ebene zwischen Quarks und Gluonen. Sie bindet Quarks durch Gluonen innerhalb von Protonen und Neutronen, aus denen wiederum die Kerne von Elementen wie Wasserstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff bestehen. Damit bestimmt die starke Kraft im Wesentlichen, wie die Grundbausteine der Kernphysik aufgebaut sind.

Und der Name der starken Kraft ist durchaus gerechtfertigt: Die QCD bindet Quarks und Gluonen mit einer solchen Stärke, dass kein Experiment, auch nicht der leistungsstärkste Beschleuniger der Welt, der Large Hadron Collider (LHC) am CERN, einzelne Quarks aus den dort zur Kollision gebrachten Protonen herausschlagen kann. Stattdessen entstehen in den Detektoren solcher Experimente Teilchen, die wiederum aus Quarks und Gluonen bestehen.

Diese charakteristische Eigenschaft der QCD wird als Confinement bezeichnet. Versucht man, ein Quark aus einem gebundenen Zustand herauszureißen, muss man so viel Energie in das System einbringen, dass dabei neue Quarkpaare entstehen. Sind die Quarks hingegen sehr eng beieinander, können sie sich fast frei bewegen.

Dieses Confinement war lange Zeit der limitierende Faktor für ein detailliertes Verständnis der starken Kraft zwischen Quarks und Gluonen, da es kein Experiment gibt, das ihre Stärke – beschrieben durch eine Zahl namens Kopplungskonstante – direkt messen kann. Dennoch wirkt sie überall und ist für einen großen Teil der in Teilchenphysik-Experimenten beobachteten Phänomene verantwortlich. Um also das Maximum aus solchen Experimenten herauszuholen, die nach Hinweisen auf eine Physik jenseits der vier Grundkräfte suchen, ist es wichtig, die Kopplungskonstante sehr genau zu kennen.

Dank dreier wichtiger Entwicklungen gelang es den Mitgliedern der Zeuthener Gruppe für theoretische Teilchenphysik, das Confinement-Problem am Computer anzugehen und zu lösen:

1) Eine mathematisch vollständige Formulierung der Theorie, genannt Gitter-QCD.

2) Die Entwicklung mathematischer und numerischer Strategien zur Lösung der Theorie.

3) Die kontinuierliche Entwicklung leistungsfähiger massiv-paralleler Computer.

Von Anfang an hat die DESY-Theorie grundlegende Entwicklungen in allen drei Bereichen beigesteuert. In den letzten zwei Jahrzehnten hat eine Gruppe jetziger und ehemaliger DESY-Theoretiker immer leistungsfähigere numerische Strategien entwickelt, die nun zu einer Bestimmung der starken Kraft mit Rekordgenauigkeit geführt haben, wie in einer aktuellen Nature-Veröffentlichung erläutert wird. Sie präsentiert eine vollständige numerische Berechnung, oft als „Simulation“ bezeichnet, die die Massen gebundener Zustände von Quarks und Gluonen mit der Stärke der Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen verbindet. „Die numerische Strategie umgeht das Confinement-Problem vollständig, verbindet Gedankenwelten mit der realen Welt und liefert die lang gesuchte Verbindung zwischen den experimentellen Messungen der Eigenschaften von Bindungszuständen und der Kopplungskonstante“, sagt DESY-Wissenschaftler Rainer Sommer, einer der Autoren der Veröffentlichung, und blickt zurück: „Während der Theoretiker Guido Altarelli 1982 auf der Konferenz „QCD: 20 Jahre später“ eine detaillierte Argumentation vorlegen musste, um das Publikum davon zu überzeugen, dass die QCD-Kopplung mit einer Unsicherheit von unter 10 % bestimmt werden kann, hat die aktuelle Veröffentlichung mit Hilfe von Gitter-QCD und einer von DESY-Theoretikern entwickelten Strategie die 1-Prozent-Schwelle der Genauigkeit bei der Beschreibung der Kopplungskonstante der starken Kraft deutlich unterschritten.“