Beteiligt am Forschungsprojekt sind die Wuppertaler Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Francesco Knechtli (Theoretische Physik, Sprecher der Forschungsgruppe), Prof. Dr. Andreas Frommer (Angewandte Informatik), Prof. Dr. Michael Günther (Angewandte Mathematik) sowie Dr. Stefan Schaefer (Theoretische Physik) am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen und Prof. Dr. Mike Peardon (Theoretische Physik) vom Trinity College in Dublin.

Was steckt hinter QCD und der Arbeit der Forschungsgruppe?

„Die Quantenchromodynamik (kurz QCD) ist die Quantenfeldtheorie zur Beschreibung der starken Wechselwirkung der fundamentalen Bausteine der Atomkerne. Lange Zeit war nicht klar, wie Neutronen und Protonen trotz elektromagnetischer Abstoßung im Atomkern zusammengehalten werden,“ so Francesco Knechtli, Sprecher der Forschungsgruppe. „Es liegt an der Wechselwirkung der Teilchen, die sehr viel stärker ist, als die Abstoßung – daher der Name ,starke' Wechselwirkung.“

Die QCD beschreibt und erklärt den Zusammenhalt der Neutronen und Protonen im Atomkern sowie den Zusammenhalt der Elementarteilchen „Quarks“ in den Neutronen und Protonen selbst. Die Elementarteilchen, die die starke Kraft übertragen, heißen Gluonen. Die Besonderheit der starken Kraft ist das „Confinement“ (engl. Einschluss). Quarks und Gluonen können nicht direkt beobachtet werden, sondern sie werden in Verbünden – genannt Hadronen – eingeschlossen. Hadronen sind in der Regel aus einem Quark-Anti-Quark-Paar oder aus drei Quarks oder Anti-Quarks gebildet. Die Theorie sagt aber voraus, dass es auch exotische Teilchen geben kann, die nur aus Gluonen bestehen, die sogenannten Gluebälle, oder Teilchen aus vier oder fünf Quarks.

Simulationen auf Supercomputern

„Seit dem Anfang des Jahrtausends wurden in Experimenten an Teilchenbeschleunigern tatsächlich solche exotischen Teilchen entdeckt,“ so Knechtli weiter. „Um ihre Zusammensetzung zu verstehen, braucht man Simulationen der starken Kraft (Gitter-QCD) auf Supercomputern, die auf der Entwicklung effizienter numerischer Algorithmen angewiesen sind. Die Entwicklung neuartiger numerischer Algorithmen ist das Ziel unserer Forschungsgruppe. Wir werden wichtige Erkenntnisse liefern, damit Gluebälle auch in Experimenten gefunden werden können.“

Ziel des Projekts ist die Entwicklung und erste Anwendung neuartiger numerischer Verfahren mit einem robusten mathematischen Fundament für Simulationen der Theorie der starken Wechselwirkung (Gitter-QCD) auf Supercomputern. Der große Rechenaufwand, der von der Quark-Dynamik in Monte-Carlo-Simulationen verursacht wird, und die starken statistischen Fluktuationen, die in Verbindung mit eingeschlossenen Gluonen auftreten, sind die Herausforderung, die die Forschungsgruppe angehen wird.

Auftakt der DFG-Forschungsgruppe „FOR 5269“ war der dreitägige Workshop „Numerical Challenges in Lattice QCD 2022“ in Meinerzhagen, bei dem knapp 40 internationale Wissenschaftler*innen zusammenkamen. Im Rahmen von Vorträgen und einer Podiumsdiskussion wurden bisherige Erkenntnisse aus dem Forschungsgebiet ausgetauscht.

Kontakt:
Prof. Dr. Francesco Knechtli
Theoretische Teilchenphysik
Telefon 0202/439-2623
E-Mail knechtli[at]uni-wuppertal.de