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Nukleare Gittersimulationen

John von Neumann Exzellenzprojekt 2020
Prof. Ulf-G. Meißner, Universität Bonn und Forschungszentrum Jülich

Foto Prof. Ulf-G. MeißnerProf. Ulf-G. Meißner (Universität Bonn und Forschungszentrum Jülich)

Die starke Wechselwirkung ist Teil des so erfolgreichen Standardmodells der Teilchenphysik. Am wenigsten verstanden ist die Emergenz zusammengesetzter, stark wechselwirkender Systeme wie Hadronen und Kerne. Letztere machen den Großteil der uns umgebenden Materie aus. Ziel des Projektes “Nuclear Lattice Simulations” ist es, ein tieferes Verständnis der vielen bemerkenswerten Phänomene in der Kernphysik zu erlangen. Dazu bedient man sich höchstparalleler Monte-Carlo Simulationen, bei denen man Protonen und Neutronen auf einem Raum-Zeit-Gitter platziert, deren Wechselwirkungen durch die chirale effektive Feldtheorie der Quantenchromodynamik beschrieben werden. Auf Grund der approximativen SU(4) Symmetrie dieser Wechselwirkungen gelingt es, ganz neue Erkenntnisse zu gewinnen, unter anderem zur Entstehung von Elementen in alten und heißen Sternen sowie zum Phasendiagramm der stark wechselwirkenden Materie. Es gibt zurzeit zwei wesentliche Stoßrichtungen in diesem Projekt.

Erstens werden sehr präzise Rechnungen zur Struktur und Dynamik von Kernen bis in die Region der Calcium Isotope durchgeführt. Dabei werden Anregungsspektren, elektromagnetische Formfaktoren und Streuprozesse betrachtet. Wichtige Ergebnisse sind die erste Ab-initio-Berechnung des Hoyle-Zustandes im Spektrum von 12C und ein tiefgreifendes Verständnis der Bildung von Alpha-Teilchen-Substrukturen in leichten und mittelschweren Kernen und das Verschwinden dieses Phänomens in schweren Kernen. Der Formalismus erlaubt es insbesondere, Ab-initio-Rechnungen von Reaktionen durchzuführen, wie dem thermischen Einfang von Alpha-Teilchen am Kohlenstoffkern, der fundamentalen Reaktion zur Erzeugung von Sauerstoff. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Rechnungen ist die äußerst präzise Gitterdarstellung der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung, die im letzten Jahr ausgearbeitet wurden.

Der zweite Schwerpunkt ist die nukleare Thermodynamik. Hier gelang es, einen mikrokanonischen Algorithmus zu entwickeln, der um den Faktor 1000 bis 1000000 schneller ist als existierende Codes. Damit konnte zum ersten Mal der Übergang von der Gasphase in die Flüssigkeitsphase präzise berechnet und auch dargestellt werden, siehe Abbildung 1. Insbesondere konnte auch der kritische Punkt recht genau berechnet werden. Allerdings bedarf es noch präziserer Rechnungen, um die Unsicherheiten zu verkleinern. Weitere Aspekte der nuklearen Thermo-Dynamik wie die Superfluidität in symmetrischer und asymmetrischer Kernmaterie, Neutrino-Wechselwirkungen in warmer Kernmaterie sowie die Eigenschaften von Neutronensternen und die Dynamik der Fusion von Neutronensternen können nun untersucht werden.

Übergang von der Gasphase in die Flüssigkeitsphase


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