Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mikroskopisches Universum gibt Einblick in Leben und Tod des Neutrons

01.06.2018

Experimente zur Lebensdauer eines Neutrons zeigen verblüffende und unerklärte Abweichungen. Um dieses Problem der subatomaren Physik anzugehen, hat ein Team von Physikern aus Jülich, Großbritannien und den USA eine Simulation eines mikroskopischen Universums geschaffen. Damit konnten sie erstmalig eine fundamentale Naturkonstante der Kernphysik direkt berechnen – ein Meilenstein. Die Ergebnisse ihrer Arbeit wurden heute in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Knapp fünfzehn Minuten „lebt“ ein Neutron bevor es zerfällt. Die Elementarteilchen sind stabil solange sie in Atomkernen stecken. Doch ungebunden zerfallen sie nach einer knappen Viertelstunde in andere Teilchen – Protonen, Elektronen und Antineutrinos. Um die Lebensdauer der Neutronen zu bestimmen, beobachten Wissenschaftler entweder das Auftauchen dieser Zerfallsprodukte oder aber das Verschwinden der Neutronen selbst.


Ein Neutron zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. In der Gitter-QCD wird ein diskreter Raum zur Berechnung verwendet.

Evan Berkowitz

Doch die beiden verschiedenen Experimente liefern unterschiedliche Ergebnisse. Die Abweichung beträgt weniger als neun Sekunden. Das erscheint nicht viel – doch die Konflikte zwischen den experimentellen Messungen könnten zentrale Fragen über die neue Physik jenseits der bekannten Teilchen und Prozesse im Universum beantworten.

Jetzt hat ein internationales Team von Wissenschaftlern mithilfe von Supercomputern erstmals eine Größe berechnet, die für das Verständnis der Lebensdauer von Neutronen von zentraler Bedeutung ist: die axiale Kopplungskonstante der schwachen Wechselwirkung, oder kurz gA.

„Sie bestimmt, mit welcher Kraft die Teilchen im Atomkern zusammengehalten werden, sowie die Rate des radioaktiven Zerfalls des Neutrons“, erklärt Evan Berkowitz vom Jülicher Institut für Kernphysik. „Wir konnten die Kopplungskonstante mit einer beispiellosen Präzision berechnen – und unsere Methode weist den Weg zu weiteren Verbesserungen, die die experimentelle Diskrepanz in der Lebensdauer des Neutrons aufklären können.“

Raum und Zeit auf einem Gitter

Für die Berechnung wandten sich die Forscher einem Eckpfeiler des sogenannten Standardmodells der Teilchenphysik zu: der Quantenchromodynamik (QCD). Sie beschreibt, wie Quarks und Gluonen – die Bausteine für Kernteilchen wie Protonen und Neutronen – miteinander wechselwirken. Diese Wechselwirkungen bestimmen die Masse der Kernteilchen und die Stärke der Kopplung – und damit den Wert der Kopplungskonstanten.

QCD-Berechnungen sind jedoch äußerst komplex. Für ihre Kalkulationen nutzten die Forscher daher eine numerische Simulation, die als Gitter-QCD bezeichnet wird. „In ihr werden Raum und Zeit durch Punkte auf einem Gitter repräsentiert“, erklärt Berkowitz. „Durch diese Konstruktion wird eine Berechnung der Beziehungen zwischen den Elementarteilchen grundsätzlich möglich – allerdings auch dann nur mithilfe leistungsfähiger Supercomputer.“ Die Wissenschaftler nutzten für ihre Simulationen den Supercomputer Titan des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee.

Mikroskopisches Universum

Die Kopplungskonstante, die bisher nur aus Neutronenzerfalls-Experimenten abgeleitet werden konnte, ließ sich so erstmals direkt aus dem Standardmodell bestimmen. Die Forscher schufen dafür eine Simulation eines winzigen Teils des Universums mit einer Ausdehnung von nur wenigen Neutronen – viel kleiner als das kleinste Atom. Das Modelluniversum enthält ein einzelnes Neutron inmitten eines „Sees“ von Gluonen und Paaren von Quarks und ihren Antiteilchen, den Antiquarks. In diesem Mikrokosmos simulierten die Wissenschaftler den Zerfall eines Neutrons – um so vorherzusagen, was in der Natur passiert.

Damit, so Berkowitz, lassen sich zum ersten Mal zwei Ergebnisse für gA aus völlig unabhängigen Quellen miteinander vergleichen – aus den Neutronenzerfalls-Experimenten und denen die anhand des Standardmodells berechnet wurden. „Schon kleinste Abweichungen zwischen den Werten könnten zu neuen Entdeckungen führen: über dunkle Materie, die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie, sowie über andere fundamentalen Fragen zur Natur des Universums.“

Eine neue Ära

„Mit unserer Simulation konnten wir außerdem zeigen, dass Gitter-QCD auch für die Grundlagenforschung in der Physik der Atomkerne verwendet werden kann“, erklärt Berkowitz. Bisher wurde die Methode hauptsächlich für Elementarteilchenphysik verwendet, also für die Physik der Quarks und Gluonen. „Diese Berechnungen läuten eine neue Ära ein. Wir können nun Größen der Kernphysik direkt aus dem Standardmodell genauer bestimmen, ohne auf experimentelle Messdaten oder phänomenologische Modelle zurückgreifen zu müssen.“

Originalpublikation: A per-cent-level determination of the nucleon axial coupling from Quantum Chromodynamics, by C.C. Chang, A. N. Nicholson, E. Rinaldi, E. Berkowitz, N. Garron, D.A. Brantley, H. Monge-Camacho, C. Monahan, C. Bouchard, M.A. Clark, B. Joó, T. Kurth, K. Orginos, P. Vranas, and A. Walker-Loud, Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0161-8

Ansprechpartner:
Dr. Evan Berkowitz
Institut für Kernphysik, Theorie der starken Wechselwirkung IKP-3/IAS-4
Tel.: +49 2462 62-4161
E-Mail: e.berkowitz@fz-juelich.de

Pressekontakt
Dr. Regine Panknin
Pressereferentin
Tel.: +49 2461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/ikp/ikp-3/DE/Home/TheorieDerStarkenWechselwirkung.html Institut für Kernphysik, Theorie der starken Wechselwirkung IKP-3/IAS-4

Dipl.-Biologin Annette Stettien | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Quanten-Übertragung auf Knopfdruck
14.06.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

Meteoriteneinschläge und Spektralfarben: HITS bei Explore Science 2018

11.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

EMAG auf der AMB: Hochproduktive Lösungen für die vernetzte Automotive-Produktion

15.06.2018 | Messenachrichten

AchemAsia 2019 in Shanghai

15.06.2018 | Messenachrichten

Dem Fettfinger zu Leibe rücken: Neuer Nanolack soll Antifingerprint-Oberflächen schaffen

15.06.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics