Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn Dynamik in der Statik verschlüsselt ist

18.08.2011
Jun.-Prof. Dr. Harvey Meyer legt Formel vor, wodurch erstmalig die Berechnung eines wichtigen Streuprozesses in der Teilchenphysik möglich wird

Theorie und Praxis klaffen manchmal auseinander.

Das gilt zuweilen auch für die Physik, wenn sie die Prozesse im Innersten der Materie beschreiben und erklären will. Während Experimentalphysiker immer genauere Messungen vornehmen und tiefer in die Bestandteile der Materie vordringen, stoßen die Modelle der Theoretiker zunehmend an ihre Grenzen.

Harvey Meyer, theoretischer Physiker am Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, hat nun eine Formel entwickelt, die eine wesentlich genauere Berechnung bestimmter wichtiger Prozesse bei subatomaren Teilchen ermöglicht. Zum einen zeigt er damit, dass auch dynamische, zeitabhängige Größen mittels Computersimulationen gerechnet werden können. Zum anderen könnte dadurch eine Annäherung an die Ergebnisse der Experimentalphysiker auf einem wichtigen Forschungsfeld erfolgen.

Meyer entwickelte seine Formel für einen wichtigen sogenannten Streuprozess bei Elementarteilchen: die Kollision von einem Elektron und seinem Antiteilchen, dem Positron. Bei dem Zusammenstoß verschwinden beide Teilchen, es kommt zur Paarvernichtung und es entstehen nun zwei unterschiedlich geladene Pionen. Ein Pion ist kein Elementarteilchen, sondern es besteht aus Quarks und Gluonen.

Die Tatsache, dass die Pionen eine komplexe innere Struktur haben, macht die Rechnung des Streuprozesses mit traditionellen Methoden - Papier und Bleistift - unmöglich. Meyers Formel baut auf dem Vorschlag von Michael Creutz aus den 70er Jahren auf, wonach die komplexe Dynamik der Quarks und Gluonen stattdessen mittels Computersimulationen berechnet werden kann. Creutz ist Wissenschaftler am Brookhaven National Laboratory und derzeit als Forschungspreisträger der Alexander von Humboldt-Stiftung zu Gast bei Univ.-Prof. Dr. Hartmut Wittig am Institut für Kernphysik in Mainz. In seiner Arbeit „Lattice QCD and the Timelike Pion Form Factor“ beschreibt Harvey Meyer nun, wie der dynamische Prozess bei der Teilchenkollision zu berechnen ist. Er verwendet dazu einen Trick, den zuvor die Physiker Lellouch und Lüscher auf den Zerfall eines Kaons in zwei Pionen angewandt haben und der darauf basiert, dass die Dynamik der Pionen in ihren stationären Quantenzuständen in einem begrenzten Volumen verschlüsselt ist. Die neue Formel zeigt, wie der Streuprozess aus diesen Quantenzuständen bestimmt werden kann und macht ihn dadurch für Computersimulationen zugänglich.

Die Bedeutung dieses Prozesses liegt vor allem darin, dass er den Beitrag der Quarks und Gluonen zum magnetischen Moment des Myons – ein sehr wichtiger Indikator in der Teilchenphysik – bestimmt. Die bislang genaueste direkte Messung des magnetischen Moments wurde 2001 in einem Experiment am Brookhaven National Laboratory auf Long Island erzielt. Sie entspricht ungefähr der Bestimmung der Distanz zwischen Paris und New York mit einer Genauigkeit von einem Millimeter. Die theoretische Rechnung derselben Größe anhand des Standardmodells – die derzeit noch gängige Theorie, um die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen zu beschreiben – ergibt ein deutlich abweichendes Ergebnis. „Es ist wichtig, die Prozesse so genau und verlässlich wie möglich auszurechnen“, sagt Meyer. „Denn ein Unterschied zwischen Theorie und Experiment beim magnetischen Moment des Myons könnte auf neue Teilchen jenseits des Standardmodells hinweisen.“ Bisher wurde der schwer zu berechnende Beitrag der Quarks und Gluonen zum magnetischen Moment des Myons über den Prozess der Elektron-Positron-Paarvernichtung ausgedrückt und experimentell gemessen. Nun ist es auch möglich, diesen Prozess mittels Computersimulationen zu berechnen und dies mit der experimentellen Messung zu vergleichen.

Neue Messungen des magnetischen Moments des Myons sind derzeit am Fermilab, einem Forschungszentrum nahe Chicago, in Planung. Sie lassen eine viermal größere Genauigkeit gegenüber den bisherigen experimentellen Daten erwarten, was eine entsprechende Verfeinerung der Standard-Modell-Vorhersage verlangt. Die Experimentalphysiker Univ.-Prof. Dr. Achim Denig und Dr. Miriam Fritsch an der Johannes Gutenberg-Universität tragen dazu wesentlich bei, indem sie experimentelle Elektron-Positron-Präzisionsdaten sorgfältig analysieren. Gleichzeitig steuern Theoretiker um Hartmut Wittig neue Beiträge zur theoretischen Vorhersage des myonischen magnetischen Moments mittels Simulationen auf dem lokalen Rechnercluster „Wilson“ bei.

Die Arbeiten dieser Wissenschaftler sind in das Mainzer Exzellenzcluster „Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter" (PRISMA) integriert, das den wichtigen Schritt in die abschließende Auswahlrunde der Bundesexzellenzinitiative geschafft hat und nun einen ausführlichen Förderantrag stellt, um in der zweiten Runde der Exzellenzinitiative zu reüssieren.

Veröffentlichung:
Lattice QCD and the Timelike Pion Form Factor
Harvey B. Meyer
Physical Review Letters, 12 August 2011, Vol.107, No.7
DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.072002
Weitere Informationen:
Jun.-Prof. Dr. Harvey B. Meyer
Institut für Kernphysik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-20350
Fax +49 6131 39-25474
E-Mail: meyerh@kph.uni-mainz.de
http://wwwkph.kph.uni-mainz.de/T/861.php (Jun.-Prof. Dr. Harvey B. Meyer)

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://wwwkph.kph.uni-mainz.de/T/861.php

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle
07.12.2016 | Goethe-Universität Frankfurt am Main

nachricht Das Universum enthält weniger Materie als gedacht
07.12.2016 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Universum enthält weniger Materie als gedacht

07.12.2016 | Physik Astronomie

Partnerschaft auf Abstand: tiefgekühlte Helium-Moleküle

07.12.2016 | Physik Astronomie

Bakterien aus dem Blut «ziehen»

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie