Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Von Quarks und Quanten

26.03.2013
Theoretiker aus Österreich und der Schweiz wollen Rätsel der Teilchenphysik in Quantensystemen simulieren und so lösen helfen.

Ein Team um Marcello Dalmonte und Peter Zoller vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Innsbruck arbeitet an Modellen für die Quantensimulation der sogenannten Eichsymmetrie und eröffnet damit völlig neue Perspektiven für die Erforschung von Quark-Gluon-Plasmen.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt die in der Physik bekannten Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen. Die Theorie wurde auch durch die jüngsten Experimente am LHC des CERN in seiner Gültigkeit nicht erschüttert. Dennoch sind zahlreiche Aspekte dieses Modells bis heute unklar. Viele der Probleme der Elementarteilchenphysik wurden bereits in den 1970er-Jahren formuliert, konnten aber noch nicht gelöst werden. Dies liegt nicht zuletzt daran, dass die sehr komplexen physikalischen Phänomene mit den Methoden der klassischen Simulation nicht erforscht werden können.

„Hier kommt die Quantensimulation ins Spiel“, sagt Peter Zoller. „Die ungewöhnlichen Eigenschaften der Quantenmechanik erlauben es uns, in Quantensystemen bestimmte komplexe Probleme einfacher zu lösen.“ Das Team um Peter Zoller und Marcello Dalmonte vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) arbeitet daran, Teilaspekte des Standardmodells in die Sprache der Quantentheorie zu übertragen und so für eine Quantensimulation zugänglich zu machen. Im Zentrum ihres Interesses steht dabei derzeit die starke Wechselwirkung, eine der vier Grundkräfte der Physik. Mit ihr wird die Bindung zwischen den Quarks erklärt, also jene Kraft, die zum Beispiel Neutronen oder Protonen im Inneren zusammenhält.

Quanten-Simulakrum
Gemeinsam mit Teilchenphysikern des Albert-Einstein-Instituts an der Universität Bern um Uwe-Jens Wiese entwickeln die Innsbrucker Physiker theoretische Modelle für die Quantensimulation der starken Wechselwirkung. „Da das Standardmodell insgesamt sehr komplex ist, beschränken wir uns zunächst auf Teilaspekte dieser Theorie, insbesondere auf die Eichsymmetrie“, sagt Marcello Dalmonte. „Diese bilden wir in vereinfachten Modellen ab und überlegen, wie wir sie für eine Quantensimulation zugänglich machen können.“ Schließlich gilt es physikalische Modelle zu finden, in denen diese Simulationen durchgeführt werden können. „Wir wollen dafür ultrakalte Atome in optischen Gittern nutzen“, sagt Marcello Dalmonte. „Auch Quantenpunkte und in Fallen gefangene Ionen kommen in Frage.“
Neue Perspektiven

In großen Teilchenbeschleunigern wie am CERN kollidieren Teilchen mit sehr hoher Energie, zerfallen in ihre Bestandteile und bilden ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma. Ziel der Quantentheoretiker ist es, Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, um solche Vorgänge in den Experimenten besser zu verstehen. Mit Quantensimulationen könnten aber zum Beispiel auch Mechanismen in Neutronensternen erklärt werden. Wegen der extrem hohen Dichte im Inneren solcher Sterne zerfällt die Materie dort ebenfalls in ein Quark-Gluon-Plasma. Auch hier scheitern alle Versuche der klassischen Simulation schlichtweg an der Komplexität der Aufgabe. Interessant sind die neuen Ansätze der Physiker aber auch für das Verständnis von Phänomenen in Festkörpern, wie etwa Supraleitung oder Magnetismus.

Rasche Umsetzung

In einer aktuellen Arbeit, die jetzt in der Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist, beschreiben die Wissenschaftler nicht nur ein Modell für die Quantensimulation der Eichsymmetrie, sondern auch die einzelnen dafür notwendigen Bausteine. „Einzelne solche Bausteine könnten im Experiment durchaus bereits in einigen Jahren umgesetzt und erprobt werden“, ist Nachwuchsforscher Marcello Dalmonte überzeugt. Unterstützt werden die Forscher bei ihrer Arbeit unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Union.
Vorstoß in neue Felder

„Der Erfolg unserer Forschung besteht darin, dass wir Wissen aus verschiedenen Feldern verknüpfen“, sagt der vielfach ausgezeichnete Peter Zoller. „Atomphysik und Quantenoptik haben auf experimenteller Ebene große Fortschritte gemacht. Davon können andere Felder der Physik profitieren.“ Schon früher hat das Team um Peter Zoller mit dem Brückenschlag von der Quantenoptik zur Quanteninformation und zur Festkörperphysik ganz neue Perspektiven in die Physik gebracht. In beiden Fällen sind daraus heute eigenständige, dynamische Forschungsrichtungen entstanden. Der Vorstoß in Richtung Elementarteilchenphysik könnte das Tor zu einem weiteren, vielversprechenden Forschungsfeld öffnen. Neben dem Team um Peter Zoller arbeiten auch Forscher um Ignacio Cirac in München und Maciej Lewenstein in Barcelona an diesen Fragenstellungen.
Publikation: Atomic Quantum Simulation of U(N) and SU(N) Non-Abelian Lattice Gauge Theories. D. Banerjee, M.Bögli, M. Dalmonte, E. Rico, P. Stebler, U.-J. Wiese, P. Zoller. Phys. Rev. Lett. 110, 125303 (2013) DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.125303

Kontakt:
Marcello Dalmonte
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Otto-Hittmair-Platz 1, 6020 Innsbruck, Austria
Tel.: +43 512 507 4771
E-Mail: marcello.dalmonte@oeaw.ac.at

Christian Flatz
Public Relations
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Otto-Hittmair-Platz 1, 6020 Innsbruck, Austria
Mobil: +43 676 872532022
E-Mail: pr-iqoqi@oeaw.ac.at
Weitere Informationen:
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.125303
- Atomic Quantum Simulation of U(N) and SU(N) Non-Abelian Lattice Gauge Theories. D. Banerjee, M.Bögli, M. Dalmonte, E. Rico, P. Stebler, U.-J. Wiese, P. Zoller. Phys. Rev. Lett. 110, 125303 (2013)
http://iqoqi.at/
- Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI)

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck
Weitere Informationen:
http://www.oeaw.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften