Arbeitsgebiete am Institut für Theoretische Physik III

Physik der starken Wechselwirkung; Struktur und Reaktionen von Hadronen und Kernen

Gegenstand der am Institut für Theoretische Physik III durchgeführten Forschung ist die starke Wechselwirkung. Soweit heute bekannt, bestimmt die starke Wechselwirkung die tiefste Schicht im Aufbau der Materie. Sie ist verantwortlich für die Struktur der aus Quarks bestehenden Nukleonen und der aus Nukleonen bestehenden Atomkerne. Den weiteren Stufen im Aufbau der Materie zu Atomen, Molekülen bis hin zu makroskopischen Körpern liegen die Gesetze der elektromagnetischen Wechselwirkung zugrunde. Elektrodynamik und starke Wechselwirkung - ("Chromodynamik") zusammen mit der schwachen Wechselwirkung, die z.B. für den radioaktiven Zerfall der Materie verantwortlich ist, werden im einheitlichen Rahmen der sogenannten Eichtheorien beschrieben. Eichtheorien sind relativistische Quantenfeldtheorien, in denen neben der quantenmechanischen Unschärferelation auch die relativistische Äquivalenz von Masse und Energie berücksichtigt ist. Die Vereinheitlichung im Verständnis der fundamentalen Wechselwirkungen ist eine erstaunliche Errungenschaft mathematischer Naturbeschreibung, zumal die mit diesen Wechselwirkungen verknüpften Phänomene kaum verschiedenartiger sein könnten. So wird einerseits die Dynamik vom atomaren bis in den makroskopischen Bereich durch die Langreichweitigkeit der elektromagnetischen Wechselwirkung beherrscht, wie sie z.B. im Coulombschen Gesetz ihren Ausdruck findet. Auf der anderen Seite sind die durch die starke Wechselwirkung erzeugten Strukturen auf mikroskopische Distanzen von etwa dem hunderttausendsten Teil des Durchmessers eines Atoms beschränkt, und die Prozesse der schwachen Wechselwirkung ereignen sich in Bereichen, deren Ausdehnung noch einmal um einen Faktor 500 kleiner sind.

Die einheitliche Beschreibung der fundamentalen Wechselwirkungen beinhaltet gemeinsame Prinzipien in der Strukturbildung der Materie. Die Struktur der uns vertrauten Materie beruht auf den Elektronen als Bausteinen und den Photonen als Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung. Im Aufbau der stark wechselwirkenden Materie zu Nukleonen und Atomkernen treten die Quarks als fundamentale Bausteine auf, die Übermittler der starken Wechselwirkung sind die Gluonen. Im Vergleich zur Elektrodynamik besitzt aber die starke Wechselwirkung eine viel komplexere Struktur, da nicht nur die Quarks wie ihre Partner, die Elektronen, Ladungen tragen, die sog. Farbladungen, sondern anders als die Photonen auch die Gluonen geladen sind und daher miteinander in Wechselwirkung treten können.

Man nimmt an, dass die reiche Farb- (Chromo-) Dynamik für die charakteristischen Eigenschaften der stark wechselwirkenden Materie verantwortlich ist und insbesondere zu dem neuartigen Phänomen des "Confinement", des Farbeinschlusses, führt. Danach sind Teilchen, die eine Farbladung tragen, nicht direkt beobachtbar. Diese Eigenschaft trägt der bisher erfolglos verlaufenen experimentellen Suche nach Quarks oder Gluonen Rechnung. Das Prinzip des Confinement liegt auch dem Aufbau der Hadronen aus Quarks zugrunde. Die Farbladung eines Quarks kann neutralisiert werden durch die Ladung des zugehörigen Antiteilchens, des Antiquarks. Auf diese Weise kann die Struktur von Teilchen wie dem Pion verstanden werden, das, obwohl selbst zusammengesetzt, als Vermittler der starken Wechselwirkung zwischen Nukleonen auftreten kann. Protonen und Neutronen bestehen aus drei Quarks, deren Farbladungen sich gegenseitig neutralisieren. Somit führt das Confinement zu einer grundsätzlich neuen Art der Strukturbildung. Dabei existieren zwar zusammengesetzte Objekte, wie sie wiederholt in den weiteren Schichten im Aufbau der Materie auftreten; diese sind aber auf der tiefsten Ebene nicht mehr in ihre Teile zerlegbar. Einmal mehr verlieren so grundlegende Begriffe, die unserer alltäglichen Erfahrung entlehnt sind, ihre Anwendbarkeit im mikroskopischen Bereich. In der Tat ist es zur Beschreibung dieses für die Quantenchromodynamik so charakteristischen Phänomens des Confinement gelungen, mathematische Modelle zu entwickeln, in denen ein und dasselbe mikroskopische Objekt gleichzeitig als zusammengesetzt und als elementar erscheint. Zwar sind unter den heute im Universum herrschenden Bedingungen nahezu alle phäomenologischen Eigenschaften stark wechselwirkender Materie durch die mikroskopische Eigenschaft des Confinements bestimmt; dennoch ist entsprechend den Gesetzen der Quantenchromodynamik anzunehmen, dass bei extrem hohen Temperaturen von etwa dem Millionenfachen der Temperatur im Sonneninnern, wie sie wohl eine millionstel Sekunde nach dem Urknall geherrscht haben, der Confinement-Mechanismus unwirksam wird. Es wird erwartet, dass sich in einem Übergang, der mit dem Schmelzen von Eis vergleichbar ist, die Strukturen stark wechselwirkender Materie auflösen. Dabei wird sich eine neue, strahlungsdominierte Form der Materie herausbilden, in der Quarks und Gluonen, nicht mehr den Gesetzen des Confinements unterworfen, sich frei bewegen können.

Die Gültigkeit der Quantenchromodynamik als Theorie der starken Wechselwirkung ist heute unumstritten. Eine quantitative Überprüfung ihrer Vorhersagen zu Reaktionen bei hohen Energien wurde in Experimenten erzielt, die am DESY (Hamburg), CERN (Genf) und Fermilab (Chicago) durchgeführt wurden. Fortschritte in der Entwicklung geeigneter numerischer Verfahren - verknüpft mit entsprechend erhöhten Rechnerleistungen - sollten eine Überprüfung im Bereich des Confinements mit ähnlicher Genauigkeit ermöglichen. Dennoch ist die Quantenchromodynamik keineswegs in all ihren Konsequenzen für die Erscheinungen der starken Wechselwirkungen durchdacht und verstanden. So legt sie die Existenz von Teilchen nahe, die sich in ihrer Struktur wesentlich von den aus Quark und Antiquark oder aus drei Quarks bestehenden Hadronen unterscheiden. Allerdings hat die experimentelle Suche nach Teilchen, die überwiegend aus Gluonen bestehen oder mehr als drei Quarks enthalten, bisher zu keinem schlüssigen Ergebnis geführt. Weiterhin ist die Bedeutung der Dynamik der Quarks und Gluonen für den Aufbau der Atomkerne weitgehend unverstanden. Im Gegensatz zur elektromagnetischen Wechselwirkung führt die starke Wechselwirkung nicht zu einer Trennung in den sich herausbildenden Strukturen von Nukleonen einerseits und Kernen andererseits. So ist der Abstand der Quarks in Nukleonen nicht wesentlich verschieden vom Abstand zweier benachbarter Nukleonen im Atomkern. Dies stellt ein grundlegendes Problem für das Verständnis der Kernstruktur dar, das verschärft in der Beschreibung stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen auftritt, wie sie beispielsweise im Inneren eines Neutronensternes herrschen. Dann mögen sich - ähnlich wie bei hohen Temperaturen - neue Formen der Materie, sog. Quarkmaterie herausbilden, in der Quarks nicht mehr einzelnen Nukleonen zuzuordnen sind. Schließlich sind die Eigenschaften der Quark-Gluon-Materie, die das Universum in seinem frühen Stadium erfüllte, trotz aufwendiger numerischer Studien noch weitgehend unverstanden. Der Überprüfung dieser spektakulären Vorhersage und dem möglichen Nachweis dieser neuen Form der Materie sind daher auch gewaltige experimentelle Anstrengungen gewidmet. So sollen an dem eigens dafür gebauten Beschleuniger RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Brookhaven (USA) und an dem geplanten LHC (Large Hadron Collider) am CERN Atomkerne auf Energien beschleunigt werden, die deren Ruheenergie um das 100- bzw. das 3000fache übersteigen. In Zusammenstößen dieser hochenergetischen Atomkerne hofft man, Bedingungen zu erzeugen, wie sie im kosmischen Phasenübergang geherrscht haben.

Untersuchungen der für die Vereinheitlichung der Kräfte so wichtigen Eichtheorien und der Quantenchromodynamik im besonderen bilden einen Schwerpunkt physikalischer Grundlagenforschung. Klärung der fundamentalen Mechanismen im Aufbau der Materie und ihrer Rolle in der Entwicklung des Universums sind die herausragenden Ziele. In der Auseinandersetzung mit diesen schwierigen Fragestellungen sind mathematische Methoden entwickelt worden, die in der Zwischenzeit in vielen anderen Bereichen der Physik bis hin zu klassischen Gebieten wie der Hydrodynamik angewendet werden und auch gewisse Zweige der reinen Mathematik beeinflusst haben. Weiterhin wurden, da eine vollständige Charakterisierung der physikalischen Konsequenzen der Quanten-Chromodynamik mit Hilfe analytischer Techniken wohl auszuschließen ist, neue Algorithmen zur numerischen Behandlung dieser Theorien entwickelt. Diese gestatten auf zum Teil eigens dafür entworfenen Rechnern eine numerische Bestimmung der Eigenschaften stark wechselwirkender Teilchen.

Die dargestellten Probleme der starken Wechselwirkung stehen im Mittelpunkt der am Institut für Theoretische Physik III durchgeführten Untersuchungen, die sich von formalen Fragestellungen zur grundlegenden Theorie bis hin zu phänomenologischen Untersuchungen der Struktur von Hadronen und Kernen sowie deren Reaktionen erstrecken. Entsprechend breit ist das Spektrum der verwendeten Methoden: Es umfasst traditionelle analytische Methoden der Feldtheorie, der statistischen und Vielteilchen-Physik sowie der Reaktionstheorie, aufwendige numerische Variationsverfahren in der Beschreibung der Struktur und der Berechnung von Reaktionen an Atomkernen ebenso wie stochastische Methoden in der numerischen Simulation der Quantenchromodynamik. (Siehe auch die Beschreibung der Themenbereiche von Diplom- und Doktorarbeiten.) Diese Untersuchungen werden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung und die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert. Das Institut unternimmt große Anstrengungen, das auch international anerkannte Niveau der Forschung aufrechtzuerhalten. Dazu dient insbesondere ein umfangreiches Gastwissenschaftler-Programm, in dessen Rahmen zusätzlich zu Vorlesungen und Seminaren regelmäßig ganztägige Veranstaltungen zu aktuellen Forschungsthemen durchgeführt werden. In diesem Programm spielen Humboldtpreisträger eine ausgezeichnete Rolle, - so war zwischen 1990 und 1998 ein Fünftel der insgesamt an der Universität Erlangen-Nürnberg weilenden Humboldtpreisträger am Institut für Theoretische Physik III tätig. Die damit verbundenen längerfristigen Aufenthalte von Mitgliedern international führender Institutionen wie dem Massachusetts Institute of Technology, der University of Tokyo oder dem Weizmann Institut ermöglichen Diplomanden und Doktoranden erste, internationale Kontakte und gewährleisten Relevanz und Aktualität der an unserm Institut auf einem zentralen Gebiet der theoretischen Physik durchgeführten Forschung.