Übersicht
Die Kernphysikalische Forschung konzentriert sich auf das Verständnis der Materie aus Quarks und Gluonen, die 99% der Masse des Universums ausmacht. Der größte Teil dieser Materie befindet sich im Kern von Atomen, denselben Atomen, aus denen alles besteht, was wir um uns herum sehen (einschließlich uns selbst). Die Forscher wollen Fragen beantworten, wie sich das Universum kurz nach dem Urknall aus einem superheißen Plasma aus Quarks und Gluonen entwickelt hat, wie die verschiedenen Elemente des Universums entstanden sind und wie ein Kern aus einzelnen Protonen und Neutronen besteht, die mit der stärksten Kraft in der Natur miteinander interagieren. Die Protonen und Neutronen selbst sind die grundlegenden gebundenen Zustände von Quarks im Universum; Wie diese Zustände aus Quarks gebildet werden, die mit dem durch die Quantenchromodynamik beschriebenen gluonischen Feld interagieren, ist noch wenig verstanden und wird aktiv untersucht.
Experimentelle Kernphysikforschung
Die moderne experimentelle Forschung auf diesem Gebiet nutzt die hochenergetische Beschleunigung sowohl von Protonen als auch von großen Kernen, während ein Großteil der modernen theoretischen Forschung auf leistungsstarken Recheneinrichtungen beruht, um Daten zu verstehen und detaillierte Vorhersagen zu treffen. Die University of Colorado hat aktive Gruppen sowohl in der theoretischen als auch in der experimentellen Forschung in der Kernphysik.
Teilnehmende Fakultät
Theoretische Kernphysikforschung
Physiker auf diesem Gebiet erforschen die Natur der starken Kraft, indem sie die Theorie der Quantenchromodynamik studieren. Im Gegensatz zur Quantentheorie des Elektromagnetismus hat die Quantenchromodynamik die Eigenschaft, dass die fundamentalen Teilchen (Quarks und Gluonen) immer schwächer interagieren, wenn sie auf immer höheren Energieskalen oder Temperaturen untersucht werden. Diese Eigenschaft der Theorie wird asymptotische Freiheit genannt.
Quark-Gluon-Plasma
Eine interessante Konsequenz der asymptotischen Freiheit ist, dass die Wechselwirkung bei einer bestimmten Temperatur so schwach sein sollte, dass die fundamentalen Teilchen nicht mehr in gewöhnlichen Kernen gebunden (con ned) sind. Mit Hilfe modernster Computersimulationen der Quantenchromodynamik bei Nite-Temperatur ist es möglich, diese Temperatur auf T≈170 MeV oder etwa 2 Billionen Kelvin zu berechnen. Oberhalb dieser Temperatur befindet sich Materie in einer neuen Phase der Materie, dem sogenannten Quark-Gluon-Plasma. Die Eigenschaften dieses Quark-Gluon-Plasmas werden derzeit mit Experimenten am Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) und am Large Hadron Collider (LHC) untersucht.
Relativistische Hydrodynamik
Die experimentellen Daten von RHIC und dem LHC weisen stark darauf hin, dass das Quark-Gluon-Plasma eine außergewöhnlich gute Flüssigkeit mit einer sehr geringen Viskosität ist. Dies motiviert die theoretische Untersuchung der experimentellen Ergebnisse mit fluiddynamischen Simulationen. Da die an diesen Experimenten beteiligte Energie sehr groß ist, bewegen sich die flüssigen Bestandteile fast mit Lichtgeschwindigkeit, was es notwendig macht, eine vollständig relativistische Version der Hydrodynamik zu verwenden.
Neutronensterne
Sehr hohe Dichten ähneln sehr hohen Temperaturen in dem Sinne, dass die Wechselwirkung der Quantenchromodynamik schwach wird. Es wird erwartet, dass die Zentren von Neutronensternen die höchsten Teilchendichten im Universum erreichen, so dass es möglich ist, dass Neutronensterne Quarkmaterie in ihren inneren Kernen beherbergen. Die Untersuchung der Eigenschaften von Neutronensternen und der Vergleich mit Beobachtungsdaten ist ebenfalls ein Forschungsgegenstand der theoretischen Kernphysik.
Beteiligte Fakultät
- Paul Romatschke