Das QCD-Vakuum (dh der Grundzustand des Vakuums im Bereich der Quantenchromodynamik) ist theoretisch durch das Vorhandensein von Erwartungswerten ungleich Null von Kondensaten wie Gluonen und Quark-Antiquark-Paaren gekennzeichnet. Anstatt mit einem Mangel an Teilchen und Wechselwirkungen in einem leeren Raum in Verbindung gebracht zu werden, betrachtet die Physikalische Theorie diesen Zustand als gefüllt mit den sogenannten Kondensaten, die die gleichen Quantenzahlen wie das Vakuum haben und nicht direkt beobachtet werden können.
Während viele theoretische Physiker die Eigenschaften des QCD-Vakuums diskutiert haben, hat sich die experimentelle Validierung dieser theoretischen Vorhersagen bisher als schwierig erwiesen, einfach weil die Kondensate in diesem Zustand schwer fassbar sind und nicht direkt nachgewiesen werden können. Ein Hinweis auf experimentelle „Beobachtung“ findet sich in den theoretischen Vorhersagen der Eigenschaften des QCD-Vakuums.
Theorien sagen voraus, dass das Kondensat aufgrund der teilweisen Wiederherstellung der sogenannten chiralen Symmetrie bei hoher Temperatur und/oder bei hoher Materiedichte abnehmen kann. Um diese Theorien zu beweisen, sammelten einige Forscher Messungen während ultrarelativistischer Frontalkollisionen von Schwerionen bei besonders hohen Temperaturen. Andere Bemühungen auf diesem Gebiet versuchten, die Eigenschaften des QCD-Vakuums zu untersuchen, indem sogenannte „Mediumseffekte“ gemessen wurden. Dies sind im Wesentlichen Effekte, die das QCD-Vakuum und seine Struktur verändern, ausgelöst durch das Vorhandensein von hoher Materiedichte wie Kernmaterie.
Forscher des RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, der Nara Women’s University, des Deutschen Schwerionenforschungsinstituts und anderer Institute weltweit haben sich kürzlich auf den Weg gemacht, experimentelle Erkenntnisse über die Mediumseffekte in Kernen bei niedrigeren Temperaturen zu sammeln. In ihren Experimenten, skizziert in a Naturphysik Papier verwendeten sie spektroskopische Techniken, um die Zustände von in (Sn) pionischen Atomen zu messen, gebundene Systeme, die aus einem Pion und einem Atomkern bestehen.
„Die Existenz der verborgenen Struktur des Vakuums ist eine der wichtigsten physikalischen Fragen der Neuzeit“, sagte Kenta Itahashi, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Die ‚nicht-triviale‘ Struktur des Vakuums wird seit langem theoretisch diskutiert. So beschrieb Nambu beispielsweise den spontanen Symmetriezusammenbruch des Vakuums. Trotz der vielen verwandten Theorien waren die experimentellen Beweise auf diesem Gebiet bisher begrenzt. “
Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Itahashi und seinen Kollegen war es, die verborgene Struktur des QCD-Vakuums und seine Entwicklung im Laufe der Geschichte des Universums weiter aufzuklären. Nach theoretischen Vorhersagen würde die Kondensation von Quark-Antiquark-Paaren (dh chirale Kondensate) in diesem Vakuumzustand die chirale Symmetrie des Vakuums brechen.
Bei hohen Temperaturen und/oder hohen Stoffdichten würde die chirale Symmetrie teilweise wiederhergestellt, was somit theoretisch den Erwartungswert chiraler Kondensate verringern sollte. In ihren neuen Experimenten machte sich das Team daran, den erwarteten Wert von Quark-Antiquark-Paaren im QCD-Vakuum abzuleiten, indem es pionische Atome bei hohen Dichten und niedrigeren Temperaturen mit hochpräzisen Spektroskopietechniken misst.
„Wir haben pionkerngebundene Systeme spektroskopisch gemessen“, erklärte Itahashi. „Unsere Spektroskopie liefert somit ergänzende Informationen, die in Verbindung mit früheren experimentellen Erkenntnissen analysiert werden können, die sich auf Frontalkollisionen konzentrieren. Wie beim Zeichnen eines Phasendiagramms von Wasser oder supraleitenden Materialien wollten wir ein Phasendiagramm des Vakuums auf einer Ebene von Temperatur und zeichnen Dichte. In gewissem Sinne verhält sich Kernmaterie wie eine Verunreinigung, die in das Vakuum geladen wird.“
Die Forscher fanden heraus, dass ihre Messungen mit dem spontanen Zusammenbruch der chiralen Symmetrie des QCD-Vakuums übereinstimmten, der von Nambus Theorie beschrieben wird. Kombiniert mit den Ergebnissen einer bahnbrechenden Studie, die sie vor fast zwei Jahrzehnten durchgeführt habenfördert diese Arbeit das derzeitige Verständnis des QCD-Vakuums, des Brechens und Wiederherstellens der chiralen Symmetrie und wie dies den erwarteten Wert chiraler Kondensate bei hohen Temperaturen und/oder hohen Materiedichten beeinflusst.
„Soweit wir wissen, gibt es derzeit keine Informationen über den Ordnungsparameter bei einer Dichte hoher Materie, die so genau bestimmt wurde wie bei uns“, sagte Itahashi. „In unseren nächsten Studien wollen wir die Dichteabhängigkeit der chiralen Symmetrie untersuchen. Wir haben bereits den ersten Punkt des chiralen Ordnungsparameters auf der Dichteachse aufgetragen und wollen nun die Dichteableitung durch eine systematische Messung untersuchen. Außerdem möchten wir auch eine neue Spektroskopietechnik für pionische Atome entwickeln, um eine höhere Präzision zu erreichen und die Untersuchung der Bildung von pionischen Atomen mit Radioisotopen zu ermöglichen.“
Mehr Informationen:
Takahiro Nishi et al, Wiederherstellung der chiralen Symmetrie bei hoher Materiedichte, beobachtet in pionischen Atomen, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02001-x
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