PHYSIK der STARKEN WECHSELWIRKUNG - Phasen und Strukturen -

Transkript

1 PHYSIK der STARKEN WECHSELWIRKUNG - Phasen und Strukturen - Experiment... Reiner Krücken Stephan Paul E 12 E und Theorie Wolfram Weise T 39 Erforschung der STÄRKSTEN KRAFT im Kosmos Ursprung der MASSE des sichtbaren Universums

2 1. Erste Orientierung: das frühe Universum

3 QUARKS and GLUONS in the HISTORY of the UNIVERSE Photonen, Leptonen, Neutrinos schwache Bosonen Leichte Atomkerne Atome BIG BANG Quarks Gluonen ZEIT s [Sekunden / Jahre] TEMPERATUR [Kelvin] 1015 ENERGIE [GeV] 102 Baryonen Mesonen 10 5 s 102 s 105 y 109 y y heute

4 2. Theoretische Basis: Q C D

5 QUANTEN CHROMO DYNAMIK (Fritzsch & Gell-Mann 1972) GLUON QUARK QUARK MASSEN L QCD = ψ (iγ µ D µ m) ψ 1 4 G µνg µν GLUONEN Gauge BOSON of the STRONG FORCE Quarks und Gluonen tragen FARB -Ladungen: Quellen der STARKEN WECHSELWIRKUNG

6 Gleitende Stärke der QCD - Kraft 0.3 Wechselwirkungsstärke α s = g2 s 4π STARK 7KH1REHO3UL]HLQ3K\VLFV IRUWKHGLVFRYHU\RIDV\PSWRWLFIUHHGRPLQWKHWKHRU\RIWKHVWURQJ LQWHUDFWLRQ SCHWACH 'DYLG-*URVV +'DYLG3ROLW]HU )UDQN:LOF]HN Abstand [fm] 1 fm ( Fermi ) = m ( Femtometer )

7 3. von Quarks und Gluonen zu Hadronen (Baryonen qqq, Mesonen qq)... zu Kernen... zu Neutronensternen _

8 QCD: Phasen und Strukturen aus Quarks und Gluonen TEMPERATUR QUARK-GLUON-PHASE HADRONISCHE PHASE SUPRALEITENDE PHASEN DICHTE 1 fm 10 fm 20 km NUKLEON ATOMKERNE NEUTRONENSTERNE 1 fm (Fermi) = m

9 MOMENTAUFNAHMEN aus dem INNERN des NUKLEONS Elektron, Myon 4. Quantum Chromodynamics Gluonen x f(x) g u v Verteilung von QUARKS and GLUONEN im PROTON (at ence It is assohiral conlings symmore luon oles. odfiguons). hose er of modarkant sea these open irely typilearned that the gluons and possibly the orbital angular momentum of the quarks and gluons also contribute to the total spin content of the nucleon. This is commonlyphoton expressed by the following equation Quark 1 2 = 1 2 Σ + G + L z, (4.1) where Σ represents the summed contributions of the quarks spins, G the contribution of the gluons, and L z the orbital angular momentum of the partons. Experimente: SLAC (Stanford), DESY (Hamburg), CERN (Genf) u d u s c d u d v x Bruchteil des Gesamtimpulses des Protons quark Figure 16.4: Distributions of x times the unpolarized parton distr (where f = u v,d v,u, d, Quarks s, c, g) usingim the Nukleon MRST2001 tragen parameterization... uncertainties for u v, d v,andg) at a scale µ 2 =10GeV nur die Hälfte des Gesamt-Impulses June 16, :04 Experimentelle Daten + Theorie (QCD)... weniger als ein Drittel des Nukleon-Spins

10 QCD auf dem GITTER Simulationen der QCD auf Höchstleistungsrechnern (Euklidsches) RAUM-ZEIT Gitter time Das QCD - Vakuum... a space... ist NICHT leer : KONDENSATE von GLUONEN and QUARK-ANTIQUARK Paaren (Leinweber et al. 2004)

11 CONFINEMENT Gluonische Flusslinien quark und Confinement Potential zwischen schweren Quarks antiquark r potential energy V(r) [GeV] Energiedichte des Gluon-Feldes 1.5 excited states 1.0 ground state (Bali et al. 2001) distance r [fm] 1.2

12 5. Eine fundamentale Frage der modernen Physik: wie ensteht die MASSE des sichtbaren Universums?... von (nahezu) masselosen Quarks zur Masse des Nukleons

13 QCD und der Ursprung der MASSE WIE entsteht die MASSE des PROTONS? m u 3 MeV m d 6 MeV u + u + d = Proton Masse mass : ! Antwort: primär GLUON-Dynamik E = m c 2 Nukleon-Masse [GeV] Masse des Nukleons [GeV] Theorie Gitter - QCD lattice (CP-PACS, JLQCD, QCDSF) exp. physical point Quarkmasse [MeV] Quarkmasse [MeV] (M. Procura, T. Hemmert, W.W., 2004) (D. Leinweber et al. 2004)

14 6. Ausblicke: Erforschung neuer Phasen und Strukturen der Materie

15 temperature Schritte über PHASENGRENZEN Temperatur T c early universe QUARKS & GLUONS Confinement von Quarks und Gluonen in Hadronen HADRONS precision experiments heavy-ion collisions Dichte density Vakuum-Struktur: Kondensation von Quarks und Gluonen Spontane (chirale) Symmetriebrechung QUARK CONDENSATE Goldstone-Bosonen (Pionen) from Lattice QCD Kernkräfte 0 T c temperature Temperatur

16 Theorie der ATOMKERNE... auf der Grundlage von Symmetrien und Symmetriebrechungs-Szenarien der QCD Beispiel: Bindungsenergien von Isotopenketten im Vergleich mit dem Experiment δe (%) Nd Sm Gd Dy Hf Er Os Yb Pt -0.5 (P. Finelli, N. Kaiser, D. Vretenar, W.W., 2006) A

17 Theorie des PHASENDIAGRAMMS der STARKEN WECHSELWIRKUNG Feldtheoretische Modelle in Kombination mit Gitter - QCD - Thermodynamik 150 Temperatur [MeV] µ [GeV] Dichte (S. Rößner, C. Ratti, W. W., 2006)