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Theorie der starken Wechselwirkung bestätigt

Supercomputer bestimmt Massendifferenz zwischen Neutron und Proton

Jülich, 27. März 2015 – Nur weil das Neutron ein ganz 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. 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 dabei 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. Im Jahre 2004 erhielten die Physiker David Gross, Frank Wilczek und David Politzer den Nobelpreis für die Entdeckung der wichtigsten Eigenschaft dieser Theorie, die sogenannte "asymptotische Freiheit": Anders als in der Elektrodynamik, man denke zum Beispiel an zwei sich annähernde Magnete, wird die Kraft in der Quantenchromodynamik mit abnehmender Distanz schwächer.

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."

JUQUEENSuperrechner JUQUEEN am Forschungszentrum.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

"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, DOI: 10.1126/science.1257050
Abstract

Kommentar von Nobelpreisträger Frank Wilczek in Nature News & Views
"Particle physics: A weighty mass difference"
Nature (2015), DOI: 10.1038/nature14381, published online 08 April 2015

Kontakt

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

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

Pressekontakt

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

Weitere Informationen

Bergische Universität Wuppertal, Fachbereich C

Eötvös University, TTK Physics

Centre de Physique Théorique

John von Neumann-Institut für Computing (NIC)

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)

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)

Das JSC im Forschungszentrum Jülich betreibt seit 1987 das erste deutsche Höchstleistungsrechenzentrum. JSC betreibt 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

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.


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