Physiker bündeln Kompetenzen, um das instabile Sigma-Meson-Teilchen besser zu beschreiben

Obwohl die Kernphysiker wissen, dass die starke Wechselwirkung das ist, was die Teilchen im Kern der Materie zusammenhält, gibt es über diese fundamentale Kraft noch viel zu lernen. Ergebnisse veröffentlicht Anfang des Jahres in Körperliche Überprüfung D von drei Forschern am Zentrum für Theoretische und Computerphysik an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums bringen uns dem Verständnis eines wichtigen Teils des Puzzles der starken Wechselwirkung näher.

Dieses Teilstück ist als Sigma-Meson bekannt. Wie die bekannteren Protonen und Neutronen besteht das Sigma aus Quarks. Es entsteht, wenn zwei andere Quark-basierte Teilchen, Pionen genannt, kollidieren. Bei dieser Kollision können sich die Quarks der Pionen durch die starke Wechselwirkung kurzzeitig neu anordnen und das Sigma-Meson bilden.

Das Teilchen ist instabil und eines der Teilchen mit der kürzesten Lebensdauer. Es zerfällt innerhalb eines unfassbar kleinen Sekundenbruchteils wieder in ein Pionenpaar. Dies erschwert die Untersuchung des Sigma-Mesons anhand der Daten aus Beschleunigerexperimenten, obwohl man davon ausgeht, dass es in vielen Prozessen der Kernphysik eine bedeutende Rolle spielt, darunter auch in den Wechselwirkungen zwischen Protonen und Neutronen.

„Das Sigma ist schon seit langem ein seltsamer Typ“, sagte Autor Jozef Dudek, ein gemeinsam ernannter Wissenschaftler am Jefferson Lab und außerordentlicher Physikprofessor an der William & Mary. „Wir konnten seine Eigenschaften mit einfachen traditionellen Methoden nicht zuverlässig bestimmen.“

Mit einer Masse, die der Hälfte der eines Protons entspricht, ist das Sigma-Meson das leichteste instabile Teilchen, das an der starken Wechselwirkung beteiligt ist. Das Studium der starken Wechselwirkung auf den leichtesten Skalen wird Physikern helfen, herauszufinden, wie diese Kraft uns und unsere Welt auf schwereren Skalen formt.

„Das ist wichtig, um grundsätzlich zu verstehen, warum wir hier sind“, sagte Autor Arkaitz Rodas Bilbao, ein gemeinsam ernannter Wissenschaftler am Jefferson Lab und Assistenzprofessor für Physik an der Old Dominion University. „Wie haften die Teilchen, aus denen wir bestehen, zusammen? Können wir bis auf die grundlegendste Ebene alles wissen, was in jedem von uns vorgeht?“

Supercomputing für Sigma

Dudek, Rodas Bilbao und Robert Edwards, der leitende Wissenschaftler am Jefferson Lab, haben sich zusammengetan, um mehr über das Sigma-Meson herauszufinden. Sie waren überzeugt, dass ihre beste Chance, es besser zu beschreiben, ein anderes Werkzeug bietet: Supercomputing.

„Die Idee besteht darin, Supercomputer zu nutzen, um virtuelle Experimente zu erstellen“, sagte Rodas Bilbao.

Supercomputer ermöglichen es Wissenschaftlern, komplexe Berechnungen schneller durchzuführen. Durch die Aufteilung der Berechnungsschritte auf die Tausenden von Computern, aus denen ein Supercomputer besteht, können viele Schritte gleichzeitig ausgeführt werden, was Zeit spart. Ein Laptop würde für die Berechnungen dieses Projekts Hunderte oder Tausende von Jahren benötigen.

„Wenn ich noch am Leben sein möchte, wenn das Projekt abgeschlossen ist, ist es besser, einen Supercomputer zu verwenden“, sagte Rodas Bilbao.

Mithilfe von Supercomputern im Jefferson Lab und im Oak Ridge National Laboratory des DOE simulierte das Team die Pion-Pion-Reaktionen, die notwendig sind, um etwas über das Sigma-Meson zu erfahren. Diese Berechnungen basieren auf der Quantenchromodynamik oder QCD, der Theorie, die die starke Wechselwirkung beschreibt.

QCD kann nicht algebraisch gelöst werden, und wenn man Supercomputer zur Lösung dieses Problems einsetzt, müssen einige grundlegende Prinzipien geopfert werden. In dieser Arbeit konnten die Autoren diese Prinzipien erstmals in Form mathematischer Einschränkungen, sogenannter „Dispersionsrelationen“, wieder einführen.

Gemeinsame Berechnungen

Diese technische Herausforderung erforderte die Expertise von Rodas Bilbao, der zuvor Dispersionsbeziehungen studiert hatte und als Postdoktorand bei William & Mary an dem Projekt arbeitete.

Die Herausforderung erforderte auch die Erfahrung von Dudek und Edwards in numerischen QCD-Berechnungen.

Die drei sind Mitglieder der Hadron Spectrum Collaboration (HadSpec), einer kleinen, aber internationalen Gruppe, die am Jefferson Lab gegründet wurde, und der Exotic Hadron (ExoHad) Topical Collaboration, einer Gruppe, die exotische Teilchen untersucht. Diese Arbeit ist ein Meilenstein der ExoHad-Zusammenarbeit und veranschaulicht die Art von Beziehungen, die die Gruppe aufbauen möchte.

„Die Idee dahinter ist, dass man Fähigkeiten kombiniert und zusammenarbeitet, um Probleme zu lösen, die keiner von beiden allein lösen könnte“, sagte Dudek, einer der Hauptforscher von ExoHad. „Ohne die SciDAC-Seite hätten wir die Berechnungen auch überhaupt nicht durchführen können.“

Edwards leitet das vom Energieministerium geförderte Softwareprojekt „Fundamental Nuclear Physics at the Exascale and Beyond“ im Rahmen des Programms Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC).

„Diese Bemühungen ermöglichen es uns, Werkzeuge zu entwickeln, die wir für fortgeschrittenes wissenschaftliches Rechnen oder in diesem Fall Hochleistungsrechnen benötigen. Diese Werkzeuge, die wir entwickelt haben, Software und algorithmische Infrastruktur, sind jetzt tatsächlich das Herzstück unserer Wissenschaftsprogramme“, sagte Edwards. „Mithilfe dieser Art von Rechenressourcen können wir die Wissenschaft betreiben, sie ist also ein integraler Bestandteil unseres gesamten Prozesses.“

Die Kombination der in dieser Arbeit verwendeten Techniken könnte erweitert werden, um mysteriöse Teilchen zu untersuchen, die Sigma ähnlich sind, wie etwa Kappa. Wenn ein Pion mit einem Kaon statt mit einem anderen Pion interagiert, kann es ein Zwischenteilchen namens Kappa bilden, dessen Existenz und Eigenschaften noch unklarer sind als die von Sigma.

Diese Arbeit zeigt auch einen Weg für die weitere Untersuchung des Sigma auf, dessen innere Struktur noch immer geheimnisvoll ist. Um die Zusammengesetztheit des Sigma zu verstehen, sind allerdings noch kompliziertere Berechnungen erforderlich.

„Der erste Schritt muss also so fundiert und genau wie möglich sein“, sagte Rodas Bilbao.

Eine Einschränkung dieser Berechnungen ist die Tatsache, dass sie den Quarks und damit den Pionen mehr Masse zuschreiben, als diese Teilchen in Wirklichkeit haben. Dadurch wurden die Berechnungen praktikabler, aber in zukünftigen Arbeiten müssen diese Massen ihren wahren Werten immer näher kommen.

„Irgendwann muss man diese Parameter auf den richtigen Wert einstellen“, sagte Dudek.

Dies gilt insbesondere deshalb, weil die Forschung des Theoriezentrums des Jefferson Lab den Experimentalphysikern des Labors zugutekommt, mit denen die Theoretiker eng zusammenarbeiten. In jedem Experiment, in dem zwei Pionen vorhanden sind, ist der Effekt des Sigmas spürbar.

„Alles, was wir tun, fließt in das experimentelle Programm ein“, sagte er.

Aber dieser „erste Schritt“ ist ein guter Anfang.