Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Theorie der starken Wechselwirkung bestätigt: Supercomputer bestimmt Neutron-Proton-Massendifferenz

27.03.2015

Nur weil das Neutron ein klein wenig schwerer ist als das Proton, haben Atomkerne genau die Eigenschaften, die unsere Welt und letztlich unsere Existenz ermöglichen.

80 Jahre nach der Entdeckung des Neutrons ist es einem Team aus Frankreich, Deutschland und Ungarn unter Führung des Wuppertaler Forschers Zoltán Fodor nun endlich gelungen, diese winzige Massendifferenz zu berechnen.


Jülicher Superrechner JUQUEEN

Copyright: Forschungszentrum Jülich

Das Ergebnis, das in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Science“ erscheint, wird von vielen Physikern als Meilenstein und Bestätigung der Theorie der starken Wechselwirkung angesehen. Entscheidend für die Simulation war JUQUEEN am Forschungszentrum Jülich, einer der leistungsstärksten Rechner der Welt.

Die Existenz und Stabilität von Atomen hängt ganz entscheidend davon ab, dass Neutronen etwas schwerer sind als Protonen. Die experimentell ermittelten Massen unterscheiden sich nur um etwa 1,4 Promille.

Würde die Differenz nur ein wenig davon abweichen, so ergäbe sich ein völlig anderes Universum mit zu vielen Neutronen, zu wenig Wasserstoff oder einem Mangel an schweren Elementen. Der winzige Massenunterschied bewirkt etwa, dass freie Neutronen im Schnitt schon nach rund zehn Minuten zerfallen, während Protonen – die unveränderliche Grundlage der Materie – praktisch unbegrenzt lange stabil sind.

Erst etwa 40 Jahre nach der Entdeckung des Neutrons durch Chadwick im Jahre 1932 präsentierten der Deutsche Harald Fritzsch, der Amerikaner Murray Gell-Mann und der Schweizer Heinrich Leutwyler 1972 eine konsistente Theorie der Teilchen und Kräfte, die das Neutron und das Proton bilden, bekannt als Quantenchromodynamik. Heute geht man davon aus, dass das Proton aus zwei sogenannten Up-Quarks und einem Down-Quark besteht, während das Neutron nur ein Up-Quark, dafür aber zwei Down-Quarks enthält.

Durch Simulationen auf Superrechnern weiß man seit einigen Jahren, dass der größte Teil der Masse gemäß Einsteins Formel E=mc2 von der Bewegung der Quarks herrührt. Allerdings sollte das elektrisch geladene Proton durch sein Feld etwa 1 Promille schwerer sein als das Neutron. Offenbar wird diese Differenz von den unterschiedlichen Massen der Quarks aber mehr als aufgehoben, wie Fodor und sein Team in äußerst aufwändigen Simulationen nun gezeigt haben.

Für die Berechnung schufen sie eine neue Klasse von Simulationsverfahren. Diese vereint die Gesetze der Quantenchromodynamik mit denen der Quantenelektrodynamik, um die Auswirkungen der elektromagnetischen Wechselwirkungen präzise zu erfassen. Durch Kontrolle aller Fehlerquellen gelang es den Wissenschaftlern zu zeigen, wie fein die Kräfte der Natur aufeinander abgestimmt sind.

Professor Kurt Binder ist Vorsitzender des Wissenschaftlichen Rats des John von Neumann-Instituts für Computing und Mitglied des deutschen Gauß Centre for Supercomputing. Beide Organisationen vergeben die Rechenzeit auf JUQUEEN wettbewerblich an die Nutzer. „Nur mit Rechnern auf Weltklasse-Niveau, wie sie das Forschungszentrum Jülich für die Wissenschaft bereitstellt, konnte dieser Meilenstein der Computersimulation erreicht werden“, betont Binder. Schützenhilfe bekam der Rechner JUQUEEN dabei von weiteren „Kollegen“, die von den französischen Wissenschaftsorganisationen CNRS und GENCI betrieben werden sowie von den Rechenzentren in Garching (LRZ) und Stuttgart (HLRS).

Die Ergebnisse des Physikerteams um Fodor, das an der Bergischen Universität Wuppertal, am Centre de Physique Théorique de Marseille, an der Eötvös University Budapest und dem Forschungszentrums Jülich angesiedelt ist, stoßen die Tür zu einer neuen Generation von Simulationen auf, mit denen sich die Eigenschaften von Quarks, Gluonen und Kernteilchen bestimmen lassen. Professor Kálmán Szabó vom Forschungszentrum Jülich schwärmt: „In der Zukunft könnte das Standardmodell der Elementarteilchenphysik mit zehnfacher Präzision auf die Probe gestellt werden. Wir hätten eine große Chance, Effekte zu finden, die auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells hinweisen.“

„Das Forschungszentrum Jülich fördert mit seinen Supercomputern die Arbeit exzellenter Forscher auf vielen Gebieten der Wissenschaft. Die Grundlagenforschung wie die Elementarteilchenphysik ist eine Methodenschmiede, deren Werkzeuge auch vielen anderen Anwendern äußerst willkommen sind“, sagt Prof. Dr. Sebastian M. Schmidt, Mitglied des Vorstands, der diese wissenschaftlichen Aktivitäten seit Jahren unterstützt und begleitet.

Originalpublikation:
Sz. Borsanyi, S. Durr, Z. Fodor, C. Hoelbling, S. D. Katz, S. Krieg, L. Lellouch, T. Lippert, A. Portelli, K. K. Szabo, B. C. Toth
Ab initio calculation of the neutron-proton mass difference
Science 27 March 2015

Kontakt
Dr. Stefan Krieg, Jülich Supercomputing Centre, Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-8715
s.krieg@fz-juelich.de

Prof. Kalman Szabo, Jülich Supercomputing Centre, Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-96471
k.szabo@fz-juelich.de

Pressekontakt
Tobias Schlößer, Unternehmenskommunikation, Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-4771
t.schloesser@fz-juelich.de

Bergische Universität Wuppertal, Fachbereich C: http://www.fbc.uni-wuppertal.de/fachbereich-c.html

Eötvös University, TTK Physics: http://ttk.elte.hu/ttkenglish/indexeng.html

Centre de Physique Théorique: http://www.cpt.univ-mrs.fr

John von Neumann-Institut für Computing (NIC): http://www.john-von-neumann-institut.de/nic/DE/Home/home_node.html
Das John von Neumann-Institut für Computing (NIC) stellt Supercomputer-Rechenzeit bereit für Forschungsprojekte aus Wissenschaft und Industrie auf den Gebieten der Modellierung und Computersimulation. Als gemeinsame Einrichtung der drei Helmholtzzentren Forschungszentrum Jülich, Deutsches Elektronensynchrotron DESY und GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung fördert es so die Computational Science in Deutschland und Europa. Sein Wissenschaftlicher Rat entscheidet autonom und rein aus wissenschaftlichen Erwägungen über die Vergabe der Rechenzeit.

Gauss Centre for Supercomputing (GCS): http://www.gauss-centre.eu
GCS stellt die stärkste HPC-Infrastruktur Europas für die Gemeinschaft von Anwendern aus Wissenschaft und Industrie in einer Vielzahl von Disziplinen zur Verfügung. GCS ist eine Allianz der drei Bundeshöchstleistungszentren High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), Jülich Supercomputing Centre (JSC), und Leibniz Supercomputing Centre, Garching bei München (LRZ).

Jülich Supercomputing Centre (JSC): http://www.fz-juelich.de/jsc
Das JSC im Forschungszentrum Jülich betreibt seit 1987 das erste deutsche Höchstleistungsrechenzentrum und mit JUQUEEN einen der derzeit leistungsstärksten Rechner in Europa. Im JSC arbeiten rund 200 Experten und Ansprechpartner für alle Aspekte rund um Supercomputing und Simulationswissenschaften. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konzentrieren sich auf mathematische Modellierung und numerische, insbesondere parallele Algorithmen für Quantenchemie, Molekulardynamik und Monte-Carlo-Simulationen, Leistungsanalyse paralleler Programme und Big Data. Als Mitglied des Gauss Centre for Supercomputing koordiniert das JSC seit Anfang 2008 den Aufbau der europäischen Forschungsinfrastruktur "PRACE – Partnership for Advanced Computing in Europe".

Das Forschungszentrum Jülich: http://www.fz-juelich.de
Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung und stellt sich drängenden Fragen der Gegenwart. Mit seinen Kompetenzen in der Materialforschung und Simulation und seiner Expertise in der Physik, der Nano- und Informationstechnologie sowie den Biowissenschaften und der Hirnforschung entwickelt es die Grundlagen für zukünftige Schlüsseltechnologien. Damit leistet das Forschungszentrum Beiträge zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Energie und Umwelt sowie Information und Gehirn.
Das Forschungszentrum Jülich geht neue Wege in strategischen Partnerschaften mit Hochschulen, Forschungseinrichtungen und der Industrie im In- und Ausland. Mit mehr als 5.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern gehört es als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft zu den großen interdisziplinären Forschungszentren Europas.

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-03-13Scienc...

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie