Neuer 3D-Blick ins Proton:
Supercomputer enthüllt Materiebausteine

Forscher enthüllen das Innenleben von Protonen: Ein US-Team macht bedeutende Fortschritte bei der Kartierung von Quarks und Gluonen. Ihre bahnbrechende 3D-Methode verspricht neue Einblicke in die Grundbausteine der Materie.

3D-Blick ins Proton enthüllt Geheimnisse der Materie

Eine Gruppe von Physikern am Jefferson Lab des US-amerikanischen Departments of Energy in Newport, die HadStruc Collaboration, hat einen innovativen Ansatz zur Untersuchung der inneren Struktur von Hadronen, zu denen auch Protonen und Neutronen gehören, entwickelt. Ihr Hauptaugenmerk liegt auf den Protonen. Deren innerer Aufbau aus Quarks und Gluonen - zusammen Partonen genannt - ist bisher nicht vollständig verstanden. Die Forscher nutzen die Methode der Gitter-Quantenchromodynamik (QCD), um die komplexen Wechselwirkungen innerhalb der Protonen zu berechnen.

Im Mittelpunkt ihrer Forschung steht ein neues Modell namens verallgemeinerte Parton-Verteilungen (GPDs). Dieses bietet einen dreidimensionalen Blick auf die Hadronenstruktur und übertrifft damit ältere eindimensionale Modelle. "GPDs ermöglichen es uns, eine der großen Fragen über das Proton zu klären, nämlich wie sein Spin entsteht", erklärt Hervé Dutrieux, Postdoktorand an der William & Mary Universität.


Um ihre Theorie zu testen, führte das Team 65.000 Simulationen auf Supercomputern durch. Diese umfangreichen Berechnungen erforderten laut der Veröffentlichung im Journal of High Energy Physics Millionen von Prozessorstunden. Joseph Karpie, Postdoktorand am Jefferson Lab, kommentiert: "Dies war unser Machbarkeitsnachweis. Wir wollten wissen, ob die Ergebnisse dieser Simulationen basierend auf unserem bisherigen Wissen über diese Teilchen plausibel erscheinen."

Die Arbeit der HadStruc Collaboration findet bereits praktische Anwendung. Ihre GPD-Theorie wird in Experimenten an Hochenergieanlagen weltweit untersucht, darunter am Jefferson Lab selbst. Zudem planen die Forscher, ihre Arbeit am zukünftigen Electron-Ion Collider (EIC) am Brookhaven National Laboratory fortzusetzen und zu erweitern.

Die Forschung der HadStruc Collaboration ist bahnbrechend für die Quantenphysik. Ihr 3D-Ansatz ermöglicht erstmals detaillierte Einblicke in den Aufbau von Protonen. Dies könnte unser Verständnis der Materie grundlegend verändern und sogar Auswirkungen auf die Gravitationsphysik haben. Um ihre Berechnungen weiter zu verfeinern, sehen die Forscher voraus, dass sich die benötigte Rechenzeit verhundertfachen wird.


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