Extrem spannende Materie

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26.05.2017

Extrem spannende Materie

SFB/Transregio verbindet Physiker in Frankfurt, Darmstadt und Bielefeld

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat einen neuen Sonderforschungsbereich/Transregio bewilligt, in dem Physiker der Goethe-Universität Frankfurt in Kooperation mit der Technischen Universität Darmstadt und der Universität Bielefeld „stark-wechselwirkende Materie unter extremen Bedingungen“ erforschen wollen. Dafür hatten die Partner für die nächsten vier Jahre acht Millionen Euro beantragt.

Gruppenfoto: Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aus Bielefeld, Darmstadt und Frankfurt, die im neuen Sonderforschungsbereich/Transregio arbeiten. Bild: Hauke Sandmeyer, Uni Bielefeld
Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aus Bielefeld, Darmstadt und Frankfurt, die im neuen Sonderforschungsbereich/Transregio arbeiten. Bild: Hauke Sandmeyer, Uni Bielefeld

Sprecher des neuen Forschungsverbunds, der in der Kooperation mit der TU Darmstadt auch die Ende 2015 gebildete Strategische Allianz der Rhein-Main-Universitäten (RMU) stärkt, ist der Frankfurter Physiker Prof. Dirk Rischke. Einer der stellvertretenden Sprecher ist Prof. Dr. Jochen Wambach (TU Darmstadt, Theoretische Kern- und Hadronenphysik).

Unter „extremen Bedingungen“ verstehen Physiker hohe Temperaturen und Dichten, wie sie etwa in der ersten Millionstel Sekunde nach dem Urknall vorlagen – einige Billionen Grad Celsius (das ist hunderttausendmal heißer als das Innere unserer Sonne) sowie das Mehrfache der in Atomkernen erreichten Dichte (mehrere 100 Millionen Tonnen pro Kubikzentimeter).

Unter diesen Bedingungen ist Materie von der so genannten starken Wechselwirkung dominiert. Das ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Sie ist zum Beispiel für den Aufbau der Atomkerne aus Protonen und Neutronen und für deren innere Struktur aus Quarks und Gluonen verantwortlich. Unter extremen Bedingungen bildet stark-wechselwirkende Materie neuartige Zustandsformen aus, vergleichbar mit den verschiedenen Aggregatzuständen des Wassers als Eis, Flüssigkeit und Gas. Während dies an großen Teilchenbeschleunigern wie dem LHC am CERN in Genf und in Zukunft an der internationalen Teilchenbeschleunigeranlage FAIR in Darmstadt experimentell untersucht wird, will der neue Sonderforschungsbereich/Transregio (SFB/TR) die Thematik von theoretischer Seite her beleuchten.

In 14 Teilprojekten sollen hier die fundamentalen Eigenschaften stark-wechselwirkender Materie untersucht und auf die Physik im frühen Universum und in Schwerionen-Experimenten angewendet werden. Erklärtes Ziel ist es dabei, möglichst direkt von der fundamentalen Theorie der starken Wechselwirkung, der sog. Quantenchromodynamik (QCD), auszugehen.

Diese Theorie, für deren Erforschung es schon mehrere Nobel-Preise gab, ist seit über 40 Jahren bekannt. Dennoch hat es sich vielfach als schwierig erwiesen, im Rahmen der QCD konkrete Vorhersagen zu machen. Insbesondere die Eigenschaften makroskopischer Ansammlungen stark-wechselwirkender Teilchen bei hohen Temperaturen und Dichten konnten noch nicht zufriedenstellend aus der QCD abgeleitet werden.

Einzigartig am neuen SFB/TR ist in diesem Zusammenhang die Kombination von aufwändigen numerischen Simulationen auf Höchstleistungs-Supercomputern („Gitter-QCD“) mit analytisch basierten Methoden. „Dies geschieht in enger Zusammenarbeit, so dass wir die Stärken der jeweiligen Zugänge und die unterschiedlichen Expertisen an den drei Standorten optimal ausnutzen“, betont der Sprecher des SFB/TR, Prof. Dirk Rischke von der Goethe-Universität Frankfurt.

Prof. Jochen Wambach von der TU Darmstadt, zusammen mit Prof. Frithjof Karsch von der Universität Bielefeld Rischkes Stellvertreter, ergänzt: „Viele von uns kennen sich schon lange und haben auch früher schon erfolgreich zusammengearbeitet. Der Transregio stellt diese Zusammenarbeit auf eine völlig neue Stufe.“

Die gleichberechtigte Zusammenarbeit der drei Partneruniversitäten wird dadurch unterstrichen, dass bereits vereinbart wurde, die Sprecherschaft des SFB/TR nach jeder Förderperiode bei erfolgreicher Verlängerung rotieren zu lassen. „Die komplexen theoretischen Fragestellungen sowie die derzeit stattfindenden und bereits geplanten Experimente in diesem auch international äußerst aktiven Forschungsgebiet werden in dem kommenden Jahrzehnt Anregungen für vielfältige Forschungsprojekte geben“, sagt Karsch. „Wir sind daher davon überzeugt, die maximale Laufzeit eines SFBs von zwölf Jahren mit interessanten Projekten ausfüllen zu können“, so Rischke, Karsch und Wambach.

Hintergrund

Der neue SFB/TR stärkt die Kooperation im Rahmen der Strategischen Allianz der Rhein-Main-Universitäten (RMU) – die Goethe-Universität Frankfurt, die TU Darmstadt und die Johann Gutenberg-Universität Mainz bilden seit Ende 2015 einen engen Verbund auf der Grundlage von mehr als 70 gemeinsamen Forschungsprojekten und stimmen Aktivitäten in der Lehre, in wissenschaftlicher Weiterbildung und der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses ab.

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