Newswise – Ein neuer Weg zur Untersuchung von Quarks, einem der Bausteine ​​der Protonen und Neutronen, aus denen Atomkerne bestehen, wird vorgeschlagen. Dies wurde noch nie zuvor gemacht und würde helfen, viele grundlegende Fragen der Physik zu beantworten. Insbesondere könnten Forscher mit dem neuen Ansatz bestimmen, wie Materie zu ihrer Masse kommt.

Das Studium der Materie kann ein bisschen so sein, als würde man einen Stapel russischer Matroschka-Puppen öffnen, wobei jede Ebene tiefer eine andere vertraute, aber andere Anordnung von Komponenten enthüllt, die kleiner und schwieriger zu erforschen sind als die vorherige. Auf unserer täglichen Skala haben wir Objekte, die wir sehen und berühren können. Ob es sich um Wasser in einem Glas oder das Glas selbst handelt, dies sind normalerweise Anordnungen von Molekülen, die zu klein sind, um sie zu sehen. Die Instrumente der Physik, Mikroskope, Teilchenbeschleuniger usw. erlauben uns, tiefer zu schauen, um zu enthüllen, dass Moleküle aus Atomen bestehen. Aber das ist noch nicht alles – Atome bestehen aus einem Kern, der von Elektronen umgeben ist.

Der Kern wiederum ist eine Anordnung von Nukleonen (Protonen und Neutronen), die dem Atom seine Eigenschaften und seine Masse verleihen. Aber auch hier hört es nicht auf; Die Nukleonen bestehen außerdem aus weniger bekannten Dingen, die als Quarks und Gluonen bekannt sind. Und genau auf dieser Skala bilden die Grenzen unseres Wissens über die Grundlagenphysik eine Blockade. Um Quarks und Gluonen zu untersuchen, sollten sie idealerweise voneinander isoliert werden; Dies scheint jedoch derzeit unmöglich. Wenn Teilchenbeschleuniger Atome brechen und Schauer aus Atomtrümmern erzeugen, verbinden sich Quarks und Gluonen zu schnell wieder, als dass Forscher sie im Detail untersuchen könnten. Neue Forschungsergebnisse der Fakultät für Physik der Universität Tokio deuten darauf hin, dass wir möglicherweise bald in der Lage sein werden, die nächste Schicht der Matrjoschka-Puppe zu öffnen.

„Um unsere materielle Welt besser zu verstehen, müssen wir Experimente durchführen, und um Experimente zu verbessern, müssen wir neue Ansätze für die Art und Weise erforschen, wie wir Dinge tun“, sagte Professor Kenji Fukushima. „Wir haben einen möglichen Weg skizziert, den Mechanismus zu identifizieren, der für die Quark-Einschließung verantwortlich ist. Dies ist ein seit langem bestehendes Problem in der Physik, und wenn es erkannt wird, könnte es einige tiefe Geheimnisse über die Materie und die Struktur des Universums enträtseln.“

Die Masse subatomarer Quarks ist unglaublich gering: Die Quarks in einem Nukleon machen zusammen weniger als 2 % der Gesamtmasse aus, und Gluonen scheinen völlig masselos zu sein. Physiker vermuten also, dass der größte Teil der Atommasse tatsächlich von der Art und Weise herrührt, wie Quarks und Gluonen aneinander gebunden sind, und nicht von den Dingen selbst. Sie werden durch die sogenannte starke Kraft gebunden, eine der vier Grundkräfte der Natur, einschließlich Elektromagnetismus und Schwerkraft, und es wird angenommen, dass die starke Kraft selbst eine Nukleonenmasse ergibt. Dies ist Teil einer Theorie, die als Quantenchromodynamik (QCD) bekannt ist, wobei „Chromo“ vom griechischen Wort für Farbe kommt. Deshalb hört man manchmal Quarks, die rot, grün oder blau genannt werden, obwohl sie farblos sind. .

„Genaue Beweise dafür, dass die starke Kraft Massen entstehen lässt, bleiben unerreichbar“, sagte Fukushima. „Das Hindernis ist, dass QCD die Dinge so beschreibt, dass theoretische Berechnungen schwierig werden. Unsere Leistung besteht darin zu zeigen, dass die starke Kraft unter bestimmten Bedingungen Quarkeinschluss realisieren kann. Wir taten dies, indem wir einige beobachtete Parameter von Quarks als eine neue Variable interpretierten, die wir die imaginäre Winkelgeschwindigkeit nennen. Obwohl es rein mathematischer Natur ist, kann es wieder in reale Werte von Dingen umgewandelt werden, die wir kontrollieren können. Dies sollte zu einem Weg führen, einen exotischen Zustand schnell rotierender Quark-Materie zu realisieren, sobald wir lernen, wie wir unsere Idee in ein Experiment umsetzen können.“

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Zeitungsartikel

Shi Chen, Kenji Fukushima und Yusuke Shimada“,Perturbative Confinement in thermischen Yang-Mills-Theorien, verursacht durch imaginäre Winkelgeschwindigkeit“, Briefe zur körperlichen Beurteilung, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.242002,
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.242002

Finanzierung
Diese Arbeit wurde von der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI Grant No. 21J20877 (SC), 19K21874 (KF), 22H01216 (KF).

Nützliche Links
Universität der Wissenschaften – https://www.su-tokyo.ac.jp/en/
Abteilung für Physik – https://www.phys.su-tokyo.ac.jp/en/

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