Ein Blick in den Simulationen, die die Kräfte auf den Quarks kalkuliert hat.
Ein internationales Team um den emeritierten DESY-Theoretiker Gerrit Schierholz hat die Kraft berechnet, die einzelne Quarks im Inneren des Atomkerns erfahren. Der Wert und die Richtung dieser Kraft kann nun für jedes Quark erfasst werden, was Auswirkungen darauf haben könnte, wie Experimente an zukünftigen Teilchenbeschleunigern durchgeführt und interpretiert werden. Das Ergebnis wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ als Forschungshighlight ausgewählt.
DESY ist seit langem einer der wichtigsten Standorte, um die innere Struktur des Protones zu erforschen. Die vier Detektoren des HERA-Beschleunigers, der von 1992 bis 2007 im Forschungsbetrieb war, haben den positiv geladenen Baustein des Atomkerns aufs Genaueste unter die Lupe genommen und dabei faszinierendes über seine innere Umgebung herausgefunden. Und bereits davor, 1979, wurde bei DESY das Kraftteilchen entdeckt, das den Atomkern und seine Bestandteile zusammenhält, das Gluon.
Darauf aufbauend hat Schierholz in Hamburg mit ehemaligen Kollegen aus aller Welt die Stärke und – und in einer Weiterentwicklung – die Richtung der starken Kraft auf die einzelnen Quarks modelliert. „Als ich bei DESY war, habe ich viele Leute nach Hamburg geholt, und seitdem haben sie sich über die ganze Welt verstreut: China, Großbritannien, Australien, die USA. Ich habe sie wieder zusammengebracht, um diese Analyse durchzuführen.“ Mit Hilfe der Supercomputing-Möglichkeiten in Deutschland, insbesondere in Berlin und Göttingen beim norddeutschen Hochleistungsrechnennetzwerk HLRN, und einer Technik namens Gitter-Quantenchromodynamik erstellte das Team Modelle einzelner Quarks in Protonen, die den bei HERA erstellten Modellen entsprechen, und maß, wie die daraus resultierenden Kräfte auf jedes einzelne Quark aussehen würden. Die Methode bildet die Kräfte auf einem Gitter aus festgelegten Punkten in der Raumzeit ab, wobei jeder Punkt als Referenz für die Richtung und Stärke der Kräfte sowie für andere Faktoren wie den Abstand zu den anderen benachbarten Quarks dient.
„Die Kräfte, die die Quarks an die Protonen binden, sind enorm, und sie nehmen mit der Entfernung nicht ab“, sagt Schierholz. „Sie betragen jeweils bis zu 3 Milliarden Elektronenvolt pro Femtometer oder etwa eine halbe Million Newton: das entspricht etwa dem Gewicht von zehn Elefanten“ - und das alles auf dem winzigen Raum des Protons. Außerdem konnte das Team sehen, wie sich die Richtung der Kräfte auf die anderen Quarks im Proton auswirkt und wie der Spin des Protons, eine Quanteneigenschaft des Teilchens, die Kräfte auf das Quark beeinflusst.
Die Ergebnisse lassen einige der Daten von HERA in einem neuen Licht erscheinen. Die HERA-Kollisionen von Elektronen und Protonen hatten zu einigen Veränderungen in den Spins der gestreuten Elektronen geführt, die nun durch die Spin-Effekte auf die Kräfte auf die Quarks erklärt werden können. Ebenso helfen die neuen Ergebnisse Wissenschaftler:innen auf der ganzen Welt bei der Planung neuer Experimente für künftige Collider, mit denen Quarks und die starke Kraft noch genauer erforscht werden können.
Originalveröffentlichung
JA Crawford et al, "Transverse Force Distributions in the Proton from Lattice QCD", Physical Review Letters, 2025, DOI:10.1103/PhysRevLett.134.071901
