Der Turm von effektiven Feldtheorien in der Kernphysik

Veröffentlichung in "Reviews of Modern Physics"

15.07.2020

Die sogenannte „starke Wechselwirkung“ spielt eine entscheidende Rolle für die Existenz der Materie im Universum. Wie genau diese Kraft – fundamental beschrieben durch die Quantenchromodynamik als Wechselwirkung von isoliert nicht beobachtbaren Quarks und Gluonen – die Kernkraft hervorbringt, die Protonen und Neutronen in Atomkernen bindet, ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Forschende um Professor Hans-Werner Hammer am Institut für Kernphysik haben dazu einen Artikel im renommierten Fachjournal Reviews of Modern Physics veröffentlicht.

Prof. Dr. Hans-Werner Hammer

Die Intensität der starken Wechselwirkung stellt eine Herausforderung für ihre Berechnung dar. Effektive Feldtheorien bieten jedoch einen Ausweg. Vereinfacht gesagt brechen solche Theorien mikroskopische Details auf ihren wesentlichen Inhalt herunter, indem sie den mathematischen Formalismus auf den gewünschten Detailgrad anpassen. Dieser Ansatz kann als Wahl einer geeigneten „theoretischen Auflösung“ interpretiert werden. Dies ist vergleichbar mit der Wahl größerer Pixelgrößen für aus der Ferne betrachtete Großbildschirme als für kleine Smartphones, um den gleichen visuellen Eindruck zu erreichen.

Mit Hilfe dieses Konzepts lässt sich das Terrain der Nuklidkarte der Atomkerne durch einen Turm von effektiven Feldtheorien abdecken, die in Freiheitsgraden von Protonen und Neutronen oder selbst Gruppen dieser Teilchen formuliert sind. Diese Theorien gehen durch fundamentale Symmetrien und aufwendige numerische Simulationen aus dem Standardmodell der Teilchenphysik hervor. Die effektiven Feldtheorien in dieser Folge entsprechen Entwicklungen der Quantenchromodynamik um verschiedene Idealisierungen, jeweils mit ihren eigenen Charakteristiken und Anwendungsbereichen. Sie bilden einen Schwerpunkt der Forschung im Sonderforschungsbereich 1245 „Nuclei: From Fundamental Interactions to Structure and Stars“ an der TU Darmstadt.

Artistische Darstellung der Reduzierung des Auflösungsvermögens für die Wechselwirkung von Kernteilchen im Turm effektiver Feldtheorien.

Der nun in Reviews of Modern Physics veröffentlichte Übersichtsartikel „Nuclear effective field theory: Status and perspectives“ diskutiert die verschiedenen Ebenen von effektiven Feldtheorien in der Beschreibung von Atomkernen und ihren Reaktionen sowie weitergehende Anwendungen, und beschreibt sowohl deren Historie als auch neuere Entwicklungen.

Hammer/bjb