Einsatzgebiete für Supercomputer

Elementarteilchenphysik: Gitter-QCD

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die ihrerseits wiederum aus Elementarteilchen, den so genannten Quarks, zusammengesetzt sind. Jeweils drei Quarks bilden ein Proton beziehungsweise Neutron. Dabei werden die Quarks durch „Klebeteilchen“ – die Gluonen – zusammengehalten. Bemerkenswerterweise nimmt die Kraft zwischen den Quarks mit ihrem Abstand zu, so dass nur nach außen neutrale Quarkkombinationen stabil existieren können. Die mit dieser starken Wechselwirkung in Verbindung stehenden Ladungen treten, im Gegensatz zur elektrischen Ladung, bei der es nur zwei Ladungstypen gibt, in drei Varianten auf.

Die drei Ladungstypen der starken Wechselwirkung werden mit Rot, Grün und Blau bezeichnet, in Anlehnung an die drei Grundfarben, die bei ihrer Überlagerung weiß – und damit farbneutral – erscheinen. Aufgrund dieser Farbanalogie wird die Theorie der starken Wechselwirkung als Quanten-Chromo-Dynamik (QCD) bezeichnet. Um die starke Wechselwirkung nach außen hin abzuschirmen – und so einen stabilen Zustand bilden zu können – müssen die Quarks in einem nach außen farbneutralen Zustand vorliegen. Möglich ist damit nur die Kombination Rot, Grün und Blau, die sich zu Weiß ergänzt, oder eine komplementäre Anordnung, wie etwa Rot und Anti-Rot. Dabei liegt eine solche Dreierkombination bei den Kernbausteinen, den Protonen und Neutronen vor, während die Zweierzustände so genannte Mesonen bilden.

Die bizarre Eigenschaft, dass die starke Wechselwirkung mit zunehmendem Abstand stark ansteigt, führt dazu, dass übliche Rechenmethoden wie die Störungstheorie bei „großen“ Abständen ab etwa 1 Fermi zusammenbrechen. Nur mit Hilfe von Supercomputer-Simulationen, in denen Raum und Zeit nicht mehr als kontinuierlich, sondern in Form eines Gitters behandelt werden, können hier quantitative Aussagen gewonnen werden.

Lange Zeit wurde vermutet, dass in der QCD ein besonderer Effekt, das so genannte Confinement, auftritt: Vergrößert man den Abstand zwischen zwei Quarks, so nimmt die Kraft zwischen ihnen immer weiter zu. Irgendwann ist die Energiedichte dann so groß, dass es energetisch günstiger wird, zwei jeweils gebundene Quarkpaare zu generieren. Der Flussschlauch zwischen den beiden Quarks reißt, und aus dem Vakuum kondensieren zwei neue Quarks, die mit den ursprünglichen sofort einen Bindungszustand bilden. Dieser Mechanismus führt dazu, dass Quarks niemals isoliert auftreten, sondern immer nur im Zweier- oder Dreierpack. Allerdings konnte dies durch analytische Rechnungen nicht belegt werden. In jüngster Zeit gelang es jedoch, dieses Problem mit Gitter-QCD-Simulationen auf Highend-Computersystemen zu lösen. Die dem Bild hinterlegte Animation zeigt das Zerreißen des Flussschlauches und erste Anzeichen der kondensierten neuen Quarks.