NIC Excellence Project 2021/1

Das Standardmodell auf die Probe gestellt

_{John von Neumann Exzellenzprojekt 2021
Prof. Szabolcs Borsanyi (Bergische Universität Wuppertal)}

Seit Jahrzehnten ist die größte bisher unbeantwortete Frage der Hochenergiephysik, ob es noch neuartige Phänomene gibt, außerhalb des theoretischen Regelwerks der Teilchenphysik, dem Standard Modell.

Das Standardmodell beschreibt die grundlegenden Bausteine unserer Welt und stellt die Beschreibung der Wechselwirkung dieser auf eine solide mathematische Basis. Mit der Entdeckung des Higgs-Bosons ist die wichtigste Vorhersage dieses Models auch bewiesen worden. Es kann aber nicht die endgültige Theorie der Teilchenphysik sein. Es lässt zu viele grundlegende Fragen offen, wie z.B. die zur Entstehung der Asymmetrie zwischen Materie und Anti-Materie, zum Ursprung der Neutrinomassen oder zur Zusammensetzung der dunklen Materie. Es wird eifrig nach Stellen gesucht, wo das Standardmodell doch nicht stimmt, es wird nach Diskrepanzen zwischen dem Standardmodell und dem Experiment geforscht.

Das aktuellste Bespiel ist die Bestimmung des magnetischen Moments des Myons. Der im Jahr 2006 von der Muon g-2 Collaboration (BNL, USA) gemessene Wert lag etwas über den damaligen Ergebnissen der Theorie. Eine solche Spannung mag Zufall sein, oder aber ein erster Hinweis zu einem bisher unbekannten Phänomen. Theorie und Experiment mussten die Präzision deutlich erhöhen. Die ersten Ergebnisse des neuen Experiments am Fermilab wurden am 7. April 2021 präsentiert. Die Diskrepanz zwischen dem magnetischen Moment aus der direkten Messung und dem Standardmodellwert hat sich auf dem ersten Blick erhöht. Doch selbst der Standardmodellwert wird teilweise aus experimentellen Bausteinen zusammengesetzt, wie z.B. die Wechselwirkung des Myons mit Quarks. Die Quarks sind die Bausteine von Tausenden möglichen Teilchen, die ihre Existenz der starken Wechselwirkung verdanken, darunter fallen auch Protonen und Neutronen. Der Effekt aus den Quarks liegt bei der siebten Nachkommastelle. Dieselbe Wechselwirkung konnte man schon aus Elektron-Positron-Zusammenstößen berechnen.

Die Forschungsgruppe an der Bergischen Universität Wuppertal (Prof. Borsanyi, Prof. Fodor) mit Beteiligung aus dem Jülich Supercomputing Centre (Prof. Szabo) hat ein Simulationsverfahren entwickelt, um diese Wechselwirkung nun tatsächlich mit Hilfe des Standardmodells zu berechnen anstatt auf experimentelle Daten zurückzugreifen. Die dazu erforderlichen Simulationen in der vier-dimensionalen Welt der stark wechselwirkenden Felder sind teilweise auf dem Großrechner JUWELS (Forschungszentrum Jülich), aber auch auf SUPERMUC (Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften) und Hazel Hen (Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart) gelaufen.

Dank der großzügigen Unterstützung der deutschen (und teilweise internationalen) Rechenzentren gelang es, die Ergebnisse pünktlich zur Bekanntmachung der neuen Messergebnisse in der Fachzeitschrift Nature zu veröffentlichen [1]. Wenn man den Beitrag der starken Wechselwirkung aus der reinen Theorie gewinnt, verschwindet die Diskrepanz und das Standardmodell besteht die Probe.

[1] Borsanyi et al.: Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD, Nature <London> 593(7857), 51–55 (2021), DOI: 10.1038/s41586-021-03418-1

_{Passt das magnetische Moment des Myons in unsere physikalische Vorstellung über die Welt?
Copyright: Uni Wuppertal / thavis gmbh}

Neben dem magnetischen Moment des Myons gibt es noch zahlreiche Baustellen in der Hochenergiephysik, zu denen das Standardmodell untersucht wird. In Teilchenbeschleunigern, wie z.B. dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN (Genf, Schweiz) und dem Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory (New York, USA), werden Ionen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit gegeneinander geschleudert und dadurch auf unvorstellbar hohe Temperaturen erhitzt. Für eine sehr kurze Zeit wird es sogar um fünf Größenordnungen heißer als im Sonnenkern. Es entsteht ein kurzlebiges Plasma, in dem die Naturgesetze eine sehr außergewöhnliche Facette zeigen. Unter so extremen Umständen verhalten sich die Bestandteile der Atomkerne, nämlich die Protonen und Neutronen, anders als bei alltäglichen Temperaturen: sie verschmelzen miteinander zu noch kleineren Bausteinen (z.B. Quarks) die sich gleich darauf wieder in anderer Form zusammensetzen. Aus dem Streubild, das die verschmolzenen Atomkerne in den Detektoren hinterlassen, gewinnt man wichtige Erkenntnisse über die Naturgesetze der starken Wechselwirkung.

Die Wuppertaler Forschungsgruppe realisiert das in den Beschleunigern erzeugten Quark-Gluon-Plasma in Simulationen auf Höchstleistungsrechnern. Es wurde schon die Temperatur bestimmt, bei der die Teilchen verschmelzen. Nun werden zur experimentellen Temperaturbestimmung die statistischen Eigenschaften des Streubildes berechnet, diese werden dann mit den Messungen des ALICE-Experiments (LHC) abgeglichen.

Diese Simulationen sind nun dank der vier Ampére-GPU Karten wesentlich beschleunigt. Besonders der schnelle Speicherzugriff hilft bei der Lösung der Dirac-Gleichung, die die Dynamik der Quarks beschreibt. Mit der bewilligten Rechenzeit werden die Vorhersagen mittels des Standardmodells auch für Schwerionen-Experimente berechnet, die die Theorie erneut auf die Probe stellen.