Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Einblicke in die Entstehung schwerer Elemente

03.12.2015

Alphateilchen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bildung schwererer Elemente. Kohlenstoff geht etwa aus der Verschmelzung dreier Alphateilchen hervor. Kommt noch ein weiterer Heliumkern hinzu, bildet sich Sauerstoff – eine weitere Voraussetzung für die Entstehung irdischen Lebens.

Ein internationales Forscherteam stellt in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature nun eine neue Methode vor, mit der sich diese Geburtsprozesse im Innern von Sternen detailliert auf Supercomputern simulieren lassen. Das Verfahren verringert den Rechenaufwand und ermöglichte es erstmals den Streuprozess zweier Alphateilchen von Grund auf zu berechnen.


Streuung zweier Alphateilchen, im Hintergrund: Supercomputer JUQUEEN am Jülich Supercomputing Centre (JSC)

Copyright: Forschungszentrum Jülich

Die Simulation der Prozesse, die zur Bildung schwererer Elemente führen, ist sehr rechenintensiv. Selbst die schnellsten Supercomputer der Welt sind gerade einmal in der Lage, die Entstehung sehr leichter Elemente nachzuvollziehen. All die umherschwirrenden Protonen und Neutronen, aus denen sich auch die Atomkerne zusammensetzen, stehen miteinander in Wechselwirkung.

Zudem gilt es, vielfältige theoretisch mögliche Quantenzustände jedes Teilchens zu berücksichtigen. Der erforderliche Rechenaufwand steigt daher mit der Zahl der beteiligten Partikel sprunghaft an. Sogenannte Ab-initio-Simulationen beschränkten sich daher bisher auf Reaktionen, an denen nicht mehr als fünf Partikel beteiligt sind.

Derartige Simulationsverfahren kommen ohne äußere, experimentell zu bestimmende Parameter aus. Die gewonnenen Erkenntnisse fußen damit allein auf den zugrundeliegenden Gesetzen der Physik.

Mithilfe eines neuen Rechenverfahrens ist es Wissenschaftlern an den Universitäten in Bonn und Bochum, des Forschungszentrums Jülich sowie zweier US-amerikanischer Universitäten nun gelungen, einen deutlich komplexeren Vorgang nachzustellen.

Sie untersuchten die als Streuung bezeichnete Ablenkung zweier Heliumkerne: eine Reaktion, die insgesamt 8 Nukleonen – so die Sammelbezeichnung für Protonen und Neutronen – umfasst. Für ihre Berechnungen nutzten sie einen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt, den Superrechner JUQUEEN am Jülich Supercomputing Centre (JSC).

Den enormen Rechenaufwand verringerten sie dabei mit einem Trick: Die Forscher platzierten die beteiligten Nukleonen nicht frei im Raum, sondern auf einem virtuellen Gitter, dessen Zustand sich sehr effizient parallel mit einer großen Anzahl von Prozessoren berechnen lässt, wie sie heutige Superrechner aufweisen.

Auf diese Weise steigt die Rechenzeit nicht wie bisher exponentiell, sondern nur noch quadratisch mit der Zahl der beteiligten Nukleonen an. Der Rechenaufwand für ein System mit 16 Teilchen ist somit nur viermal größer als für ein 8-Teilchen-System. Stiege die Rechenzeit dagegen exponentiell, wäre ein Supercomputer wie JUQUEEN nicht mehr nur ein paar Wochen, sondern gleich mehrere Jahrtausende beschäftigt.

Nachdem Physiker bereits vor einigen Jahren die Grundbedingungen für die Bildung von Kohlenstoff entschlüsseln konnten, rückt mit dem neuen Verfahren die Erforschung eines weiteren lebenswichtigen Entstehungsprozesses in greifbare Nähe: die Bildung von Sauerstoff, die auch schon als „heiliger Gral der Astrophysik“ bezeichnet wurde. Die Methode könnte darüber hinaus auch neue Perspektiven für Simulationsrechnungen in der Elementarteilchenphysik eröffnen, in der anstelle von Atomkernen das Verhalten von Quarks und Gluonen im Fokus steht.

Originalpublikation:
Ab initio alpha-alpha scattering
Serdar Elhatisari, Dean Lee, Gautam Rupak, Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Timo A. Lähde, Thomas Luu, Ulf-G. Meißner
Nature (scheduled for publication on 03 December 2015), DOI: 10.1038/nature16067

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Ulf-G. Meißner, Institut für Kernphysik, Theorie der Starken Wechselwirkung (IKP-3); Helmholtz-Institut für Strahlen und Kernphysik, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Tel. 02461 61-4401; 0228 732365
E-Mail: u.meissner@fz-juelich.de; meissner@itkp.uni-bonn.de

Pressekontakt:
Dr. Regine Panknin, Unternehmenskommunikation, Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de

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

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Meldungen/PORTAL/DE/2011/11-05-12meissner.ht...
http://www.fz-juelich.de/ikp/ikp-3/DE/Home/TheorieDerStarkenWechselwirkung.html
http://www.fz-juelich.de/ias/jsc/DE/Home/home_node.html
http://www.rub.de
http://www.uni-bonn.de

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Direkte Abbildung von Riesenmolekülen
24.05.2019 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht MiLiQuant: Quantentechnologie nutzbar machen
23.05.2019 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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: Direkte Abbildung von Riesenmolekülen

Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) konnten riesige zweiatomige Moleküle erzeugen und mit einem hochaufgelösten Mikroskop direkt abbilden.

Die optische Auflösung einzelner Konstituenten herkömmlicher Moleküle ist aufgrund der kleinen Bindungslänge im Sub-Nanometerbereich bisher nicht möglich....

Im Focus: New studies increase confidence in NASA's measure of Earth's temperature

A new assessment of NASA's record of global temperatures revealed that the agency's estimate of Earth's long-term temperature rise in recent decades is accurate to within less than a tenth of a degree Fahrenheit, providing confidence that past and future research is correctly capturing rising surface temperatures.

The most complete assessment ever of statistical uncertainty within the GISS Surface Temperature Analysis (GISTEMP) data product shows that the annual values...

Im Focus: Geometrie eines Elektrons erstmals bestimmt

Physiker der Universität Basel können erstmals zeigen, wie ein einzelnes Elektron in einem künstlichen Atom aussieht. Mithilfe einer neu entwickelten Methode sind sie in der Lage, die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons im Raum darzustellen. Dadurch lässt sich die Kontrolle von Elektronenspins verbessern, die als kleinste Informationseinheit eines zukünftigen Quantencomputers dienen könnten. Die Experimente wurden in «Physical Review Letters» und die Theorie dazu in «Physical Review B» veröffentlicht.

Der Spin eines Elektrons ist ein vielversprechender Kandidat, um als kleinste Informationseinheit (Qubit) eines Quantencomputers genutzt zu werden. Diesen Spin...

Im Focus: The geometry of an electron determined for the first time

Physicists at the University of Basel are able to show for the first time how a single electron looks in an artificial atom. A newly developed method enables them to show the probability of an electron being present in a space. This allows improved control of electron spins, which could serve as the smallest information unit in a future quantum computer. The experiments were published in Physical Review Letters and the related theory in Physical Review B.

The spin of an electron is a promising candidate for use as the smallest information unit (qubit) of a quantum computer. Controlling and switching this spin or...

Im Focus: Optische Superlinsen aus Gold

Oldenburger Forscher entwickeln neues optisches Mikroskop mit extrem hoher Auflösung

Eine kegelförmige Spitze aus Gold bildet das Kernstück eines neuen, extrem leistungsfähigen optischen Mikroskops, das Oldenburger Wissenschaftler in der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Effizientes Wertstoff-Recycling aus Elektronikgeräten

24.05.2019 | Veranstaltungen

Früherkennung 2.0: Mit Präzisionsmedizin Screeningverfahren weiterentwickeln

23.05.2019 | Veranstaltungen

Kindermediziner tagen in Leipzig

22.05.2019 | Veranstaltungen

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

Schweißen ohne Wärme

24.05.2019 | Maschinenbau

Bakterien in fermentierten Lebensmitteln interagieren mit unserem Immunsystem

24.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

Wie Einzelzellen und Zellverbünde beim Navigieren zusammenwirken

24.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

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