Gemeinsame Suche nach exotischen Formen der Materie

Deutsch-chinesische Kooperation in Elementarteilchen-Physik

02.07.2012 - Deutschland

Wissenschaftler der federführenden Universität Bonn, des Forschungszentrums Jülich und der Technischen Universität München arbeiten in einem neu eingerichteten Sonderforschungsbereich (SFB) mit drei Forschungseinrichtungen in Peking, China, zusammen. Der SFB „Symmetries and the Emergence of Structure in QCD“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit rund fünf Millionen Euro und von der National Natural Science Foundation of China (NSFC) mit vier Millionen Euro gefördert. Angesetzt ist das Projekt auf vier Jahre, eine zweifache Verlängerung ist möglich.

Grundlage der modernen Elementarteilchen-Physik ist das sogenannte Standardmodell, welches alle Materialbausteine und Wechselwirkungen unserer Welt beschreibt. Im Detail lässt diese Theorie jedoch einige Fragen offen. „Dazu gehört zum Beispiel die Suche nach dem sogenannten Higgs-Boson, aber auch die Entstehung der verschiedenen Formen der stark wechselwirkenden Materie“, erklärt Prof. Ulf-G. Meißner vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn, Sprecher des SFB, Direktor am Institut für Kernphysik und Direktor am Institute of Advanced Simulation am Forschungszentrum Jülich. Der Sonderforschungsbereich befasst sich mit zwei grundlegenden Fragen: Welche stark wechselwirkenden Teilchen und Materieformen werden durch die Quantenchromodynamik, die Teil des Standardmodells ist, vorhergesagt? Und welche zugrundeliegenden Symmetrien lassen sich dabei beobachten?

Teilprojektleiter des Jülicher Beitrages sind Dr. Johann Haidenhauer, Dr. Andreas Nogga, Dr. Christoph Hanhart und Prof. Ulf-G. Meißner. Die Wissenschaftler des Forschungszentrums beschäftigen sich im neuen SFB mit aktuellen Fragestellungen wie: Können auch schwere Quark-Antiquark-Bindungszustände weit ausgedehnte molekulare Zustände bilden, ähnlich den Atomkernen, die aus den Drei-Quarkzuständen Proton und Neutron bestehen? Wie sind die zugrundeliegenden Symmetrien realisiert und welchen Einfluss haben sie auf die Materie? Oder aber: Welche Formen exotischer Atomkerne gibt es?

Die Physiker werden den Zerfall schwerer Hadronen, bestehend aus Quarks, auf eine sogenannte CP-Verletzung („C“ für engl. charge Ladung; „P“ für parity Parität) hin untersuchen. Bei dieser Art von Symmetrie-Verletzung verhalten sich Materie und Antimaterie nicht genau spiegelbildlich. Ein solcher Symmetriebruch könnte der Schlüssel für die Antwort auf die Frage liefern, warum sich Antimaterie und Materie nach dem Urknall nicht gegenseitig völlig auslöschten und mehr Materie übrigblieb.

„Die Arbeit des internationalen Sonderforschungsbereiches wird auch für Versuche im internationalen Beschleunigerzentrum FAIR in Darmstadt von Bedeutung sein“, erklärt Dr. Christoph Hanhart, der Vertreter Jülichs im „Executive Board“ des Forschungsprojektes. Die Anlage FAIR, die mit starker Jülicher Beteiligung aufgebaut wird, soll Einblicke in die Struktur der Materie und die Entstehung des Universums ermöglichen.

Die Wissenschaftler nutzen für ihre Untersuchungen modernste theoretische Methoden wie effektive Feldtheorien und Gitter-Eichtheorie, um die Strukturbildung in der sogenannten Quantenchromodynamik (QCD) zu verstehen. „Insbesondere verspricht die intensivierte Zusammenarbeit mit den starken chinesischen Gruppen signifikante Fortschritte schon in naher Zukunft“, so Dr. Christoph Hanhart.

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