Einem internationalen Forscherteam ist es erstmals gelungen, die Masse der wichtigsten Bausteine der Materie – Protonen und Neutronen – auf theoretischem Weg zu berechnen. Das wichtigste Hilfsmittel der Physiker: der Supercomputer JUGENE am Forschungszentrum Jülich. Die aufwändigen Simulationen bestätigen die Richtigkeit einer grundlegenden physikalischen Theorie, der Quantenchromodynamik, so die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe von „Science“.
Materie ist aus Atomen aufgebaut, Atome wiederum bestehen aus einem Kern aus Protonen und Neutronen, um den Elektronen kreisen. „Mehr als 99,9 Prozent der Masse der sichtbaren Materie stammt von den Protonen und Neutronen“, erläutert der gegenwärtig an der Bergischen Universität Wuppertal tätige ungarische Physiker Zoltan Fodor, der das Forschungsprojekt am Jülicher Supercomputer JUGENE geleitet hat. Diese Teilchen, von den Physikern unter dem Begriff „Nukleonen“ zusammengefasst, sind aus jeweils drei Quarks aufgebaut.
Drei Quarks ergeben ein Nukleon
Die Masse der drei Quarks ergibt zusammengerechnet jedoch nur etwa fünf Prozent der Masse eines Kernbausteins — woher also haben die Nukleonen ihre Masse? Die Antwort auf diese Frage findet sich in der berühmten Formel E = m × c2 von Albert Einstein: Energie und Masse sind zueinander äquivalent, und 95 Prozent der Nukleonenmasse haben ihren Ursprung in der Bewegungsenergie der Quarks und zwischen ihnen ausgetauschter Teilchen.
Die drei Quarks eines Nukleons sind durch die starke Wechselwirkung aneinander gebunden, eine Kraft, die zwar nur im Bereich der Elementarteilchen von Bedeutung ist, die dafür aber – ihr Name sagt es – sehr stark ist. Die Physiker haben seit langem eine theoretische Beschreibung dieser Wechselwirkung, die Quantenchromodynamik. „Im Prinzip sollte es möglich sein, aus der Quantenchromodynamik die Masse der Nukleonen zu berechnen“, so Fodor.
Solche Berechnungen sind jedoch ungeheuer kompliziert. So wie die elektromagnetischen Kräfte durch Photonen – Lichtteilchen – vermittelt werden, gibt es auch bei der starken Wechselwirkung Trägerteilchen, die so genannten Gluonen. Doch diese Gluonen können sich – im Gegensatz zu Photonen – auch gegenseitig anziehen. Diese Selbstwechselwirkung führt einerseits dazu, dass Quarks sich so stark anziehen, dass sie niemals alleine auftreten, sondern immer zu zweit oder zu dritt größere Teilchen bilden. Und anderseits macht die Selbstwechselwirkung die Berechnung der Masse dieser Teilchen so komplex, dass sie bislang die Möglichkeiten der Forscher überstieg.
Der schnellste Computer Europas
Dank des Supercomputers JUGENE am Forschungszentrum Jülich konnten Fodor und seine Kollegen nun diese Hürde überwinden, erstmals die starke Wechselwirkung auch für größere Quarkabstände richtig beschreiben und so die Massen von Protonen, Nukleonen und anderen aus Quarks aufgebauten Teilchen berechnen. 180 Billionen Rechenoperationen kann JUGENE in jeder Sekunde durchführen, damit ist er der schnellste Computer Europas.
Für ihre Berechnungen haben Fodor und sein Team Raum und Zeit in ein engmaschiges vierdimensionales Gitter zerlegt und die komplizierten Gleichungen der Quantenchromdynamik jeweils auf den Punkten dieses Gitters gelöst. Dann haben die Forscher den Abstand der Gitterpunkte schrittweise immer kleiner gemacht, um sich so immer weiter an die Wirklichkeit, die kontinuierliche Raumzeit, anzunähern. „Es handelt sich um eine der rechenintensivsten Arbeiten in der Geschichte der Menschheit“, so Fodor.
Quantenchromodynamik stimmt
Als Ergebnis erhielten die Wissenschaftler schließlich Werte für die Massen der Nukleonen, die genau mit den in Experimenten gemessenen Werten übereinstimmen. „Damit haben wir gezeigt, dass die Quantenchromodynamik tatsächlich eine korrekte Beschreibung der starken Wechselwirkung ist“, freut sich Fodor.
„Der Ursprung des überwiegenden Teils der Masse der sichtbaren Materie ist dadurch also geklärt“, erklärt der Forscher weiter. Doch damit sind nicht alle Rätsel gelöst. Denn die sichtbare Materie macht nur einen kleinen Teil der Gesamtmasse des Universums aus – etwa 80 Prozent dieser Masse ist dunkel und besteht aus bislang unbekannten Elementarteilchen. „Woher diese Dunkle Materie ihre Masse hat, dafür haben wir bislang keine Erklärung.“
(Forschungszentrum Jülich, 21.11.2008 – DLO)
