Heute ist der 8.06.2025
Datum: 8.06.2025 - Source 1 (https://www.kleinezeitung.at/service/newsticker/chronik/19763242/physiker-ahmten-in-quantensimulator-string-breaking-nach):
- Die Starke Wechselwirkung wird quantentheoretisch durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben.
- Quarks in Neutronen und Protonen werden durch den Austausch von Gluonen zusammengehalten.
- Gluonen sind virtuelle Austauschteilchen, die zwischen Quarks agieren und Anziehung vermitteln.
- Die Anziehungskraft zwischen Quarks bleibt konstant, auch bei zunehmendem Abstand.
- Bei zu großem Abstand kann die Verbindung "reißen", was zur Entstehung eines Quark-Antiquark-Paares (Meson) führt.
- "String Breaking" wurde bisher nur indirekt in Teilchenbeschleunigern beobachtet, z.B. im Large Hadron Collider (LHC) am CERN.
- Innsbrucker Physiker haben zusammen mit Harvard und QuEra das Phänomen "String Breaking" in einem Quantensimulator nachgebildet.
- Der Quantensimulator basiert auf neutralen Atomen, die in optischen Fallen angeordnet sind.
- Neutralen Atome bieten den Vorteil einer hohen Anzahl identischer Qubits, die kontrolliert werden können.
- Für die Experimente wurden einige Dutzend neutrale Rubidium-Atome in einer speziellen zweidimensionalen Geometrie angeordnet.
- Die Atome wurden in den Rydberg-Zustand versetzt und wechselwirkten mittels Van-der-Waals-Kräften.
- Rydberg-Atome blockieren sich gegenseitig, wenn sie sich nahe kommen, was Aspekte der Starken Wechselwirkung widerspiegelt.
- Der Quantensimulator ermöglicht die Echtzeitverfolgung von Dynamiken, die zum "String Breaking" führen.
- Langfristiges Ziel der Forschung ist die Berechnung der Quantenchromodynamik an Quantencomputern.
- Die Forscher sind sich bewusst, dass dies noch Jahre oder Jahrzehnte entfernt ist.
Source 2 (https://idw-online.de/de/news853177):
- Internationales Team um Peter Zoller von der Universität Innsbruck und QuEra Computing beobachtet „String Breaking“ in einem 2D-Quantensimulator.
- Studie veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature.
- „String Breaking“ beschreibt das Reißen des „Strings“ zwischen stark gebundenen Teilchen, wie Quark-Antiquark-Paaren, und führt zur Entstehung neuer Teilchen.
- Konzept ist zentral für das Verständnis der starken Wechselwirkungen in der Quantenchromodynamik (QCD).
- Experimentelle Beobachtung von „String Breaking“ ist schwierig, da es nur unter extremen Bedingungen auftritt.
- Forscher nutzen programmierbare Aquila-Neutralatom-Plattform von QuEra, um Rubidium-Atome in optischen Fallen mit Kagome-Geometrie anzuordnen.
- Theorie der starken Wechselwirkung wird im Quantensimulator nachgeahmt.
- Van der Waals Wechselwirkungen zwischen Rydbergatomen verhindern gleichzeitige Anregung, was die Einschränkungen von Elementarteilchen widerspiegelt.
- Physiker verfolgen in Echtzeit die Dynamiken, die zum „String Breaking“ führen.
- Beobachtung in kontrollierter 2D-Umgebung ist ein Schritt zur Nutzung von Quantensimulatoren in der Hochenergiephysik.
- Erste eindimensionale Simulation einer Eichfeldtheorie wurde 2016 demonstriert.
- Demonstration in zwei Dimensionen ermöglicht Erforschung komplexerer Phänomene, einschließlich nicht-abelscher Eichfelder und topologischer Materie.
- Studie finanziell gefördert vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Europäischen Union und der Industriellenvereinigung Tirol.
- Wissenschaftliche Ansprechpartner: Torsten Zache, Institut für Theoretische Physik, Universität Innsbruck.
Source 3 (https://de.m.wikipedia.org/wiki/Quantenchromodynamik):
- Quantenchromodynamik (QCD) ist eine Quantenfeldtheorie zur Beschreibung der starken Wechselwirkung.
- Sie beschreibt die Wechselwirkung von Quarks und Gluonen, den fundamentalen Bausteinen der Atomkerne.
- QCD ist eine Eichtheorie, die auf der nicht-abelschen Eichgruppe SU(3) basiert.
- Die Wechselwirkungsteilchen der QCD sind Gluonen, die Farbladungen tragen und untereinander wechselwirken.
- Quarks haben drei Farbladungen: rot, grün und blau.
- Die Wellenfunktionen der Baryonen sind antisymmetrisch bezüglich der Farbindizes.
- Quarks treten niemals einzeln auf, sondern nur in gebundenen Zuständen (Confinement).
- Beispiele für Hadronen sind Protonen, Neutronen und Pionen.
- QCD beschreibt auch exotische Hadronen wie Pentaquarks und Tetraquarks.
- Quarks besitzen sowohl elektrische als auch Farbladungen, wobei die starke Wechselwirkung überwiegt.
- Die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung ist durch die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante gekennzeichnet, während die starke Wechselwirkung eine Kopplungsstärke von der Größenordnung 1 hat.
- QCD zeigt Asymptotische Freiheit bei hohen Energien, wo Quarks sich wie freie Teilchen verhalten.
- Bei niedrigen Energien ist die QCD nicht perturbativ und erfordert Computersimulationen, um Hadronenmassen zu berechnen.
- Die Quantenchromodynamik ist ein wesentlicher Bestandteil des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.
- Quarks tragen nur 9 % zur Masse der Nukleonen bei; der Rest stammt von Bewegungsenergie und Gluonenbeiträgen.
- Die starke Wechselwirkung zwischen Nukleonen ist exponentiell kleiner mit zunehmendem Abstand.
- Die Reichweite der Wechselwirkung zwischen Nukleonen liegt bei etwa 10^-13 cm.
- Die Lagrangedichte der QCD beschreibt die Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen.
- Computersimulationen der QCD werden häufig im Rahmen von Gittereichtheorien durchgeführt.
- Die Gittereichtheorie ermöglicht die Diskretisierung des Wirkungsfunktionals und die Anwendung numerischer Methoden.
- Wichtige Beiträge zur QCD wurden von Physikern wie Murray Gell-Mann, Gerardus ’t Hooft und David Gross geleistet.
- Gell-Mann erhielt 1969 den Nobelpreis für seine Beiträge zur Theorie der starken Wechselwirkung.
- 2004 wurden Gross, Politzer und Wilczek für ihre Arbeiten zur QCD mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.