Lösung eines mathematischen Rätsels über Quarks und Gluonen in der Kernmaterie

Die Bausteine ​​der Atomkerne sind Protonen und Neutronen, die wiederum aus noch grundlegenderen Teilchen bestehen: Quarks und Gluonen. Diese Teilchen interagieren über die starke Kraft, eine der vier Grundkräfte der Natur. Sie bilden die Kerne im Herzen jedes Atoms. Außerdem handelt es sich bei ihnen um Formen heißer oder dichter Kernmaterie, die exotische Eigenschaften aufweisen.

Wissenschaftler untersuchen die Eigenschaften heißer und kalter Kernmaterie in relativistischen Schwerionen-Kollisionsexperimenten und werden dies auch weiterhin mit dem zukünftigen Electron-Ion Collider tun. Das ultimative Ziel besteht darin zu verstehen, wie aus Elementarteilchen, die starken Kräften ausgesetzt sind, komplexe Materieformen entstehen.

Theoretische Berechnungen unter Einbeziehung der starken Kraft sind komplex. Ein Aspekt dieser Komplexität entsteht dadurch, dass es viele Möglichkeiten gibt, diese Berechnungen durchzuführen. Wissenschaftler bezeichnen einige davon als Messgeräteauswahl. Bei der Berechnung jeder Größe, die in einem Experiment gemessen werden kann, sollten alle Messgeräte zum gleichen Ergebnis führen. Eine bestimmte Wahl, die so genannte axiale Spurweite, gibt Wissenschaftlern jedoch seit Jahren Rätsel auf, da es bei dieser Wahl schwierig ist, konsistente Ergebnisse zu erzielen.

Eine aktuelle Studie, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchunglöst dieses Rätsel und ebnet den Weg für zuverlässige Berechnungen der Eigenschaften heißer und kalter Kernmaterie, die in aktuellen und zukünftigen Experimenten getestet werden können.

Die exotische Form der Kernmaterie, die Physiker bei relativistischen Schwerionenkollisionen untersuchen, wird Quark-Gluon-Plasma (QGP) genannt. Diese Form der Materie existierte im frühen Universum. Physiker erforschen seine Eigenschaften in Schwerionenkollisionsexperimenten, indem sie die extrem hohen Temperaturen nachbilden, die zuletzt Mikrosekunden nach dem Urknall beobachtet wurden. Durch die Analyse experimenteller Daten der Kollisionen und deren Vergleich mit theoretischen Berechnungen können Physiker verschiedene Eigenschaften des QGP ermitteln. Eine Berechnungsmethode namens „Axial Gauge“ schien zuvor zu implizieren, dass zwei QGP-Eigenschaften, die beschreiben, wie sich schwere Quarks durch das QGP bewegen, gleich seien.

Forscher des Massachusetts Institute of Technology und der University of Washington haben nun herausgefunden, dass diese Schlussfolgerung falsch ist. Ihre Studie analysierte auch sorgfältig die subtilen Bedingungen, unter denen die axiale Spurweite eingesetzt werden kann, und erklärte, warum die beiden Eigenschaften unterschiedlich sind. Schließlich zeigte sich, dass zwei unterschiedliche Methoden zur Messung der Verteilung von Gluonen, bei denen es sich um Teilchen mit starker Kraft handelt, im Inneren von Kernen unterschiedliche Ergebnisse liefern müssen. Diese Vorhersage wird am künftigen Elektronen-Ionen-Beschleuniger getestet.