Mit Supercomputer die Quantenchromodynamik bestätigt. Eine komplexe physikalische Theorie wartete schon lange auf ihre Bestätigung. Erst mit dem Supercomputer JUGENE konnte die Quantenchromodynamik überprüft werden.
Ein internationales Forscherteam hat zum ersten Mal die Masse der Bausteine des Atomkerns, der Nukleonen Proton und Neutron, auf einem theoretischen Weg berechnen können. Dazu benötigten die Physiker ein wichtiges Hilfsmittel, und zwar den Supercomputer JUGENE am Forschungszentrum Jülich.
Die aufwändigen Berechnungen der Wissenschaftler führten zu dem Ergebnis, das die auf der Basis der zugrunde liegenden physikalischen Theorie der Quantenchromodynamik errechneten Ergebnisse mit den Messungen der Masse der Nukleonen übereinstimmt. Somit kann die Richtigkeit diese Theorie als bestätigt angesehen werden.
Theorie und Praxis in Kurzform
Die uns bekannte in Materie ist aus Atomen aufgebaut. Fast jeder kennt das Atommodell und den Aufbau der Atome. Die bestehen aus einem schweren Kern aus Protonen und Neutronen, um den Elektronen kreisen. „Mehr als 99,9 Prozent der Masse der sichtbaren Materie stammt von den Protonen und Neutronen“, erläutert der derzeit an der Bergischen Universität Wuppertal tätige ungarische Physiker Zoltan Fodor. Der leitete das Forschungsprojekt am Jülicher Supercomputer JUGENE. Die Nukleonen werden durch ein weiteres Modell beschrieben, in dem sie aus jeweils drei Quarks zusammen gesetzt sind.
Nun kommt das Problem. Wird die Ruhemasse von 3 Quarks addiert, dann kommt nur ungefähr 5 % der Ruhemasse eines Nukleons zusammen. Die große Frage ist, wo kommt die restliche Masse dieser Kernbausteine her. Einen Teil der Antwort liefert die Relativitätstheorie von Albert Einstein. Der postulierte die Äquivalenz von Masse und Energie mit dem Proportionalitätsfaktor “Quadrat der Lichtgeschwindigkeit“. So sind etwa 95 Prozent der Ruhemasse von Nukleonen durch die Bewegungsenergie der Quarks und der zwischen ihnen ausgetauschten Teilchen zu erklären.
Die drei Quarks in einem Nukleon werden durch die starke Wechselwirkung miteinander verbunden. Die starke Wechselwirkung ist eine Kraft, die nur im Bereich der Elementarteilchen von Bedeutung ist, die dafür aber sehr stark ist. Die Physik hat schon seit langem eine theoretische Beschreibung der starken Wechselwirkung, und zwar die Quantenchromodynamik. „Im Prinzip sollte es möglich sein, aus der Quantenchromodynamik die Masse der Nukleonen zu berechnen“, so Fodor. Solche Berechnungen sind allerdings ziemlich kompliziert. Das liegt an den Teilchen, die die starke Wechselwirkung vermittelt, den Gluonen. Denn diese Gluonen können sich auch gegenseitig anziehen. Diese Wechselwirkung bewirkt, dass sich Quarks so stark anziehen. Das führt dazu, dass Quarks nie alleine auftreten, sondern immer mit anderen Quarks größere Teilchen bilden. Diese Wechselwirkung macht allerdings die Berechnung der Masse dieser Teilchen sehr komplex.
Die Berechnungen mit dem Supercomputer Jugene
Erst der Supercomputers JUGENE am Forschungszentrum Jülich ermöglichte Fodor und seine Kollegen nun die Berechnung der starken Wechselwirkung. Dieses Superexemplar einer Rechenmaschine kann 180 Billionen Rechenoperationen pro Sekunde durchführen. Er soll derzeit der schnellste Computer Europas sein.
Erstmals wurde diese auch für größere Quarkabstände beschreiben und so war es möglich, die Massen von Elementarteilchen, die aus Quarks aufgebaut werden, zu berechnen. Dazu haben die Physiker Raum und Zeit in einem engmaschigen vierdimensionalen Gitter abgebildet und die Gleichungen der Quantenchromodynamik jeweils auf den Punkten dieses Gitters gelöst. Schließlich haben sie den Abstand der Gitterpunkte Schritt für Schritt verkleinert und sich so immer weiter an die Realität des Kontinuums der Raumzeit angenähert. Projektleiter Fodor: „Es handelt sich um eine der rechenintensivsten Arbeiten in der Geschichte der Menschheit“.
Die Ergebnisse
Als Ergebnis der Berechnungen ergaben sich Werte für die Massen der Nukleonen, die genau mit durch Experimente gewonnenen Werten übereinstimmen. „Damit haben wir gezeigt, dass die Quantenchromodynamik tatsächlich eine korrekte Beschreibung der starken Wechselwirkung ist“, freut sich Fodor. „Der Ursprung des überwiegenden Teils der Masse der sichtbaren Materie ist dadurch also geklärt“, erklärt der Forscher weiter.
Doch damit sind nicht alle Rätsel um das Phänomen Masse gelöst. Denn die sichtbare Materie macht nur den kleineren Teil der Gesamtmasse des Universums aus. Die Dunkle Materie wartet noch mit vielen Fragen auf eine schlüssige Beschreibung.