Quantenphysik: Teilchenmassen exakt berechnet
© Forschungszentrum Jülich (Ausschnitt)
Fast die gesamte Masse unserer sichtbaren Welt liegt in den Atomkernen, die ihrerseits aus Neutronen und Protonen bestehen. Diese Nukleonen wiederum setzen sich aus jeweils drei Quarks zusammen, welche über Gluonen aneinander gebunden sind. Im Prinzip sollte es also möglich sein, aus der Theorie der Quarks und Gluonen, der Quantenchromodynamik (QCD), die Massen aller Grundbausteine der Materie abzuleiten. Doch das entpuppte sich als Problem, das über 20 Jahre lang nur in grober Näherung lösbar war.
Erst jetzt gelang es Forschern um Stephan Dürr vom Forschungszentrum Jülich, die Massen der Nukleonen sehr präzise zu berechnen. Ein grundlegendes Problem ist, dass sich die Gleichungen der QCD nur bei extrem hohen Energien, wenn Quarks und Gluonen als Plasma vorliegen, leicht handhaben lassen. Um auch für normale Materie bei geringen Energien zu Ergebnissen zu gelangen, stellen Physiker die eigentlich kontinuierliche Raumzeit als Gitter dar und lassen dessen Abstände schließlich gegen Null gehen. Das erfordert gewaltigen Rechenaufwand. Die Forscher um Dürr konnten mit einer Handvoll Verbesserungen an den gängigen Computerverfahren deren Effizienz nun erheblich steigern. Ihre optimierten Algorithmen ermöglichten es, auch die virtuellen Quark-Antiquarkpaare zu berücksichtigen, die kurzzeitig im Nukleon entstehen und zur Masse der Protonen und Neutronen beitragen. Bisher wurden diese „Seequarks“ wegen des hohen Rechenaufwands vernachlässigt.
Auf diese Weise erhielten Dürr und seine Kollegen Werte für die Massen von Proton und Neutron, die nur noch vier Prozent von den experimentell bestimmten abweichen. Bisher hatte die Genauigkeit solcher Rechnungen bei allenfalls zehn Prozent gelegen. Dank der neuen Ergebnisse ist nun auch noch klarer als bisher schon, dass die Quarkmassen nur wenig zur Masse der Nukleonen beitragen: Diese stammt hauptsächlich aus der Bindungsenergie der Quarks und den virtuellen Teilchen.
Vera Spillner
Erst jetzt gelang es Forschern um Stephan Dürr vom Forschungszentrum Jülich, die Massen der Nukleonen sehr präzise zu berechnen. Ein grundlegendes Problem ist, dass sich die Gleichungen der QCD nur bei extrem hohen Energien, wenn Quarks und Gluonen als Plasma vorliegen, leicht handhaben lassen. Um auch für normale Materie bei geringen Energien zu Ergebnissen zu gelangen, stellen Physiker die eigentlich kontinuierliche Raumzeit als Gitter dar und lassen dessen Abstände schließlich gegen Null gehen. Das erfordert gewaltigen Rechenaufwand. Die Forscher um Dürr konnten mit einer Handvoll Verbesserungen an den gängigen Computerverfahren deren Effizienz nun erheblich steigern. Ihre optimierten Algorithmen ermöglichten es, auch die virtuellen Quark-Antiquarkpaare zu berücksichtigen, die kurzzeitig im Nukleon entstehen und zur Masse der Protonen und Neutronen beitragen. Bisher wurden diese „Seequarks“ wegen des hohen Rechenaufwands vernachlässigt.
Auf diese Weise erhielten Dürr und seine Kollegen Werte für die Massen von Proton und Neutron, die nur noch vier Prozent von den experimentell bestimmten abweichen. Bisher hatte die Genauigkeit solcher Rechnungen bei allenfalls zehn Prozent gelegen. Dank der neuen Ergebnisse ist nun auch noch klarer als bisher schon, dass die Quarkmassen nur wenig zur Masse der Nukleonen beitragen: Diese stammt hauptsächlich aus der Bindungsenergie der Quarks und den virtuellen Teilchen.
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