Kernphysik

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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

Ed Kinney: Meine Forschung konzentriert sich auf die Aufklärung, wie die Grundbestandteile des Nukleons, Quarks, in einem gluonischen Feld gebunden sind. Derzeit haben wir nur noch grundlegende eindimensionale Impulsverteilungen der Quarks und Gluonen. Jüngste Fortschritte, sowohl experimentelle als auch theoretische, haben die Möglichkeit eröffnet, etwas über die wahre dreidimensionale Struktur zu lernen.

Jamie Nagle: Meine aktuelle Forschung liegt im Bereich der experimentellen Hochenergie-Schwerionenphysik. Die aktuelle Theorie der starken Wechselwirkungen (Quantenchromodynamik QCD) sagt voraus, dass Kernmaterie mit hoher Dichte (höher als im Zentrum der Sonne) und hoher Temperatur (heißer als im Zentrum der Sonne) einen Phasenübergang durchlaufen wird, bei dem die Quarks und Gluonen nicht mehr auf einzelne Nukleonen beschränkt sind. Die Bildung und der experimentelle Nachweis eines solchen Zustands (Quark-Gluon-Plasma oder QGP genannt) ist das Hauptziel der Hochenergie-Kernphysik.

Dennis Perepelitsa: Ich untersuche die Eigenschaften von Kernmaterie bei extrem hohen Temperaturen und Dichten. In der ersten Mikrosekunde nach dem Urknall existierte die gesamte Materie, die schließlich zum beobachtbaren Universum werden sollte, in einer heißen, dichten, ursprünglichen Quark-Gluon-Plasma-Phase (QGP). Während wir wissen, dass die starke nukleare Wechselwirkung von der Theorie der Quantenchromodynamik bestimmt wird, zeigt das QGP bemerkenswerte, nicht intuitive Verhaltensweisen, die nicht nur aus dieser fundamentalen Theorie ersichtlich sind. Meine Forschung nutzt ultra-relativistische Kollisionen schwerer Kerne, zuerst am Large Hadron Collider und schließlich am Relativistic Heavy Ion Collider, um die entstehenden Eigenschaften von Kernmaterie unter extremen Bedingungen experimentell zu untersuchen.

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

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