Im physikalischen Standardmodell fassen Physiker*innen ihre Kenntnisse über die kleinsten Teilchen und deren Wechselwirkungen zusammen. Dabei beschreibt die Quantenchromodynamik die starke Kernkraft, die die Elementarteilchen – genau die Quarks und Gluonen – im Inneren von Hadronen einschließt (Confinement). „Die Quarks und Gluonen können in Experimenten nie direkt beobachtet werden. Entsprechend groß ist die Herausforderung, ihre genauen Auswirkungen auf die experimentellen Beobachtungen aus der stark wechselwirkenden Quantenfeldtheorie zu erschließen“, erklärt Prof. Knechtli. Viele Fragen rund um die Hadronen und ihre physikalischen Eigenschaften sind damit noch offen. „Zum Beispiel ist die Existenz von sogenannten Gluebällen eine dieser offenen Fragen. Gluebälle sind Hadronen, die überwiegend aus eingeschlossenen Gluonen bestehen“, fährt der Wissenschaftler fort.

Die Methode der Gitter-Quantenchromodynamik (Gitter-QCD) ermöglicht es Forschenden, diesen Rätseln näher zu kommen: Mithilfe umfangreicher und sogenannter Monte Carlo Simulationen lassen sich Eigenschaften der Hadronen aus den Quarks und Gluonen berechnen. „Hier entstehen allerdings Schwierigkeiten durch einen großen Rechenaufwand, verursacht durch die Quark-Dynamik, sowie durch starke statistische Fluktuationen, die in Verbindung mit eingeschlossenen Gluonen auftreten“, so Francesco Knechtli.

Die DFG-Forschungsgruppe „Zukünftige Methoden für Studien von eingeschlossenen Gluonen in QCD“ kombiniert die interdisziplinäre Expertise von Physiker*innen aus der Gitter-QCD und numerischen Mathematiker*innen. Die zwei Hauptziele der Forschungsgruppe sind: 1. die Entwicklung und Optimierung von neuen Techniken für die Reduktion der statistischen Fluktuationen bei der Verwendung der Monte-Carlo Simulationen auf Basis eines soliden mathematischen Fundaments; 2. die Validierung und erste Anwendungen dieser Methoden, um Fragen z. B. nach der Existenz der Gluebälle zu beantworten. Die neuen Methoden sollen zudem die nächste Generation von Gitter-Berechnungen vorbereiten und zu einem besseren Verständnis gegenwärtiger und zukünftiger Experimente beitragen.

Die Antragssteller der Forschungsgruppe sind Prof. Dr. Andreas Frommer, Angewandte Informatik (BUW), Prof. Dr. Michael Günther, Angewandte Mathematik (BUW), Prof. Dr. Francesco Knechtli, Theoretische Physik und Sprecher der Forschungsgruppe (BUW), sowie Dr. Stefan Schaefer, Theoretische Physik (Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Zeuthen). Das Team arbeitet eng mit Prof. Dr. Mike Peardon, Theoretische Physik (Trinity College Dublin), zusammen. Die gesamte Fördersumme dient überwiegend der Finanzierung von drei Postdoktorand*innen- und drei Doktorand*innen-Stellen.

Kontakt:
Prof. Dr. Francesco Knechtli
Theoretische Teilchenphysik
Telefon 0202/439-2630
E-Mail knechtli[at]physik.uni-wuppertal.de