Theorie der starken Wechselwirkung bestätigt

Supercomputer bestimmt Massendifferenz zwischen Neutron und Proton

Nur weil das Neutron ein ganz klein wenig schwerer ist als das Proton, haben Atomkerne genau die Eigenschaften, die unsere Welt und letztlich unsere Existenz ermöglichen. 80 Jahre nach der Entdeckung des Neutrons ist es einem Team aus Frankreich, Deutschland und Ungarn unter Führung des Wuppertaler Forschers Zoltán Fodor nun endlich gelungen, diese winzige Massendifferenz zu berechnen.

Kleiner Unterschied, große Wirkung: Nur weil das Neutron ein ganz klein wenig schwerer ist als das Proton, haben Atomkerne genau die Eigenschaften, die unsere Welt und letztlich unsere Existenz ermöglichen. (Copyright: Bergische Universität Wuppertal)

Das Ergebnis, das in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Science" erscheint, wird von vielen Physikern als Meilenstein und Bestätigung der Theorie der starken Wechselwirkung angesehen. Entscheidend für die Simulation war dabei JUQUEEN am Forschungszentrum Jülich, einer der leistungsstärksten Rechner der Welt.

Die Existenz und Stabilität von Atomen hängt ganz entscheidend davon ab, dass Neutronen etwas schwerer sind als Protonen. Die experimentell ermittelten Massen unterscheiden sich nur um etwa 1,4 Promille. Würde die Differenz nur ein wenig davon abweichen, so ergäbe sich ein völlig anderes Universum mit zu vielen Neutronen, zu wenig Wasserstoff oder einem Mangel an schweren Elementen. Der winzige Massenunterschied bewirkt etwa, dass freie Neutronen im Schnitt schon nach rund zehn Minuten zerfallen, während Protonen – die unveränderliche Grundlage der Materie – praktisch unbegrenzt lange stabil sind.

Superrechner JUQUEEN am Forschungszentrum. (Copyright: Forschungszentrum Jülich)

Erst etwa 40 Jahre nach der Entdeckung des Neutrons durch Chadwick im Jahre 1932 präsentierten der Deutsche Harald Fritzsch, der Amerikaner Murray Gell-Mann und der Schweizer Heinrich Leutwyler 1972 eine konsistente Theorie der Teilchen und Kräfte, die das Neutron und das Proton bilden, bekannt als Quantenchromodynamik. Heute geht man davon aus, dass das Proton aus zwei sogenannten Up-Quarks und einem Down-Quark besteht, während das Neutron nur ein Up-Quark, dafür aber zwei Down-Quarks enthält.

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Durch Simulationen auf Superrechnern weiß man seit einigen Jahren, dass der größte Teil der Masse gemäß Einsteins Formel E=mc² von der Bewegung der Quarks herrührt. Allerdings sollte das elektrisch geladene Proton durch sein Feld etwa 1 Promille schwerer sein als das Neutron. Offenbar wird diese Differenz von den unterschiedlichen Massen der Quarks aber mehr als aufgehoben, wie Fodor und sein Team in äußerst aufwändigen Simulationen nun gezeigt haben.

Für die Berechnung schufen sie eine neue Klasse von Simulationsverfahren. Diese vereint die Gesetze der Quantenchromodynamik mit denen der Quantenelektrodynamik, um die Auswirkungen der elektromagnetischen Wechselwirkungen präzise zu erfassen. Durch Kontrolle aller Fehlerquellen gelang es den Wissenschaftlern zu zeigen, wie fein die Kräfte der Natur aufeinander abgestimmt sind.

Prof. Kurt Binder ist Vorsitzender des Wissenschaftlichen Rats des John von Neumann-Instituts für Computing und Mitglied des deutschen Gauß Centre for Supercomputing. Beide Organisationen vergeben die Rechenzeit auf JUQUEEN wettbewerblich an die Nutzer. „Nur mit Rechnern auf Weltklasse-Niveau, wie sie das Forschungszentrum Jülich für die Wissenschaft bereitstellt, konnte dieser Meilenstein der Computersimulation erreicht werden", betont Binder. Schützenhilfe bekam der Rechner JUQUEEN dabei von weiteren „Kollegen", die von den französischen Wissenschaftsorganisationen CNRS und GENCI betrieben werden sowie von den Rechenzentren in Garching (LRZ) und Stuttgart (HLRS).

Die Ergebnisse des Physikerteams um Fodor, das an der Bergischen Universität Wuppertal, am Centre de Physique Théorique de Marseille, an der Eötvös University Budapest und dem Forschungszentrums Jülich angesiedelt ist, stoßen die Tür zu einer neuen Generation von Simulationen auf, mit denen sich die Eigenschaften von Quarks, Gluonen und Kernteilchen bestimmen lassen. Prof. Kálmán Szabó vom Forschungszentrum Jülich schwärmt: „In der Zukunft könnte das Standardmodell der Elementarteilchenphysik mit zehnfacher Präzision auf die Probe gestellt werden. Wir hätten eine große Chance, Effekte zu finden, die auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells hinweisen."

„Das Forschungszentrum Jülich fördert mit seinen Supercomputern die Arbeit exzellenter Forscher auf vielen Gebieten der Wissenschaft. Die Grundlagenforschung wie die Elementarteilchenphysik ist eine Methodenschmiede, deren Werkzeuge auch vielen anderen Anwendern äußerst willkommen sind", sagt Prof. Dr. Sebastian M. Schmidt, Mitglied des Vorstands, der diese wissenschaftlichen Aktivitäten seit Jahren unterstützt und begleitet.

Originalpublikation:
Sz. Borsanyi, S. Durr, Z. Fodor, C. Hoelbling, S. D. Katz, S. Krieg, L. Lellouch, T. Lippert, A. Portelli, K. K. Szabo, B. C. Toth: Ab initio calculation of the neutron-proton mass difference. Science 27 March 2015.

Kontakt:
Dr. Stefan Krieg
Jülich Supercomputing Centre, Forschungszentrum Jülich
E-Mail: s.krieg@fz-juelich.de

Prof. Kalman Szabo
Jülich Supercomputing Centre, Forschungszentrum Jülich
E-Mail: k.szabo@fz-juelich.de

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