Hadronstruktur und starke Kopplung
Das Standardmodell der Teilchenphysik umfasst 12 Elementar- bzw. Materieteilchen sowie ein Higgs-Boson und vier Kraftteilchen. Hadronen (Protonen und Neutronen) sind keine Elementarteilchen, bestehen aber aus Materieteilchen, so genannten Quarks. Die Quarks werden durch Gluonen gebunden, d.h. Kraftteilchen, die u.a. für die starke Wechselwirkung zwischen gleich geladenen Protonen im Kern und für den Zusammenhalt zuständig sind. Mittels Monte-Carlo-Simulationen enthüllte das EU-finanzierte Projekt "Precision lattice QCD calculations" (PRECISION LATTICEQCD) die Struktur von Hadronen und führte Präzisionsmessungen der starken Kopplungskonstanten durch. Monte-Carlo-Simulationen, die erst mit Supercomputern möglich wurden, verwenden wiederholte Stichproben. Sie führen stochastische Berechnungen an Wegintegralen der Quantenchromodynamik (QCD) unter Berücksichtigung vieler verschiedener Eingaben von Zufallszahlen durch (in der Regel mehr als 10.000). Monte-Carlo-Simulationen waren ein großer Fortschritt, da sie Schätzungen von Mengen lieferten, die sich gar nicht oder nur schwer experimentell bestimmen lassen, und der Bereich der Quantenchromodynamik bildet da keine Ausnahme. Zum Standardmodell gehört auch die QCD, die die starken Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen beschreibt. Für große Energien ist eine störungstheoretische Behandlung der QCD möglich, außerhalb dieses Bereichs wird die QCD jedoch viel komplizierter und unsicherer. Mit Gitter-QCD liegt nun eine "digitalisierte" Form von QCD vor, und zwar als diskrete Punkte im euklidischen Raum-Zeit-Gitter (lattice). Da keine Annahmen existieren, kommen nun Näherungen und die bewährten und leistungsstarken Monte-Carlo-Simulationen zum Einsatz. Unter Verwendung der Kapazitäten mehrerer paralleler Supercomputer konnte eine Fülle von Gitterdaten zu Strukturfunktionen von Hadronen und der starken Kopplungskonstante erfasst werden. Vorgeschlagen wurde eine neue Methode zur Behandlung bestimmter Artefakte (hyperkubische Gitterartefakte), die in vielen dieser und anderer Gitter vorkommen, damit künftige Analysen und Schlüsse weniger unsicher und genauer sind. So könnten sich zahlreiche physische Problemstellungen in der Elementarteilchenphysik klären lassen. Sie könnten die Suche nach physikalischen Gesetzen jenseits des Standardmodells vereinfachen und neue Experimente für den Übergang vom physikalisch messbaren zum physikalisch möglichen Bereich ermöglichen.
Schlüsselbegriffe
Hadronstruktur, starke Kopplung, Gitter-QCD, Monte-Carlo-Simulationen, Quantenchromodynamik