Neutralität und Phasen farbsupraleitender Quark Materie

Wie sieht Materie aus die zu höchstmöglichen Dichten komprimiert wurde? Welche Eigenschaften hat Materie in diesem Zustand? Die dichteste Materie im beobachtbaren Universum findet man in Neutronensternen. Diese sind massereicher als die Sonne, haben aber nur einen Radius von etwa 12 km. Astrophysiker versuchen durch Neutronensternbeobachtung die Eigenschaften ultradichter Materie zu ergründen. Diese Beobachtungen können mit theoretische Vorhersagen verglichen werden. Dieses Projekt zielt darauf ab, unser theoretisches Verständnis ultradichter Materie zu verbessern und fundiertere Vorhersagen zu liefern. Um die Eigenschaften von Materie bei sehr hohen Dichten zu untersuchen, verwenden wir das `Standard-Modell` der Teilchenphysik, der am besten getesteten Theorie in diesem Feld. Materie ist in diesem Modell aus Quarks und Elektronen aufgebaut. Quarks werden durch die starke Kraft zu Protonen und Neutronen gebunden, die sich wiederum zu Atomekernen zusammenfügen. Geleitet durch die elektromagnetische Kraft finden sich die Elektronen in Wolken um die Kerne ein, so dass Atome entstehen. Bei sehr hohen Dichten existieren jedoch keine Atome mehr. Bei Neutronensterndichten werden die Elektronen in die Kerne gepresst, und die Materie wird zu einer Flüssigkeit aus Protonen und Neutronen. Man spricht von `Nuklearer Materie`. Bei hinreichend grosser Dichte tritt Materie dann in Form einer Quark-Flüssigkeit in Erscheinung, der sogenannten `Quark Materie`, deren Verhalten hauptsächlich von der starken Kraft bestimmt wird. Das Standard Modell beinhaltet eine Theorie der starken Wechselwirkung: Quantenchromodynamik, oder kurz, QCD. Ziel unseres Projektes ist es, die Eigenschaften von Materie bei den höchsten Dichten im Universum, und darüber hinaus, mittels QCD zu untersuchen. Es ist sehr aufwendig die mathematischen Gleichungen zu lösen, in der die Vorhersagen formuliert werden. Basierend auf allgemeinen Argumenten haben vorhergehende Studien gefunden, dass sich Materie bei höchsten Dichten in Phasen arrangiert, die wir auch beim Studium von Materie auf der Erde finden: Supraleiter, Suprafluide, Isolatoren, u.s.f.. Unsere Vorhersagen sollen auf QCD selbst basieren, deren Gültigkeit zur Beschreibung des Verhaltens von Quarks in Teilchenbeschleunigern bestätigt wurde. Insbesondere wollen wir funktionale Integralgleichungen (Dyson-Schwinger Gleichungen) verwenden um mehrere Fragestellungen im Kontext extrem dichter Materie zu untersuchen. Konkret interessieren wir uns für die Rolle von Elektronen in Quark Materie bei höchsten Dichten, die im Moment unklar ist. Weiters interessieren wir uns für mögliche Phasen die man finden könnte, wenn man die Dichte von nuklearer Materie bis hin zu Quark Materie erhöht. Unser Ziel ist es, Vorhersagen über diese Phasen bereitzustellen, die dann, zusammen mit astrophysikalischen Beobachtungen, unser Verständnis von Materie bei extremer Dichte festigen können.

Wie sieht Materie aus die zu höchstmöglichen Dichten komprimiert wurde? Welche Eigenschaften hat Materie in diesem Zustand? Die dichteste Materie im beobachtbaren Universum findet man in Neutronensternen. Diese sind massereicher als die Sonne, haben aber nur einen Radius von etwa 12 km. Astrophysiker versuchen durch Neutronensternbeobachtung die Eigenschaften ultradichter Materie zu ergründen. Diese Beobachtungen können mit theoretischen Vorhersagen verglichen werden. Dieses Projekt zielte darauf ab, unser theoretisches Verständnis ultradichter Materie zu verbessern und fundiertere Vorhersagen zu liefern. Um die Eigenschaften von Materie bei sehr hohen Dichten zu untersuchen, verwenden wir das Standard-Modell der Teilchenphysik, der am besten getesteten Theorie in diesem Feld. Materie ist in diesem Modell aus Quarks und Elektronen aufgebaut. Quarks werden durch die starke Kraft zu Protonen und Neutronen gebunden, die sich wiederum zu Atomkernen zusammenfügen. Geleitet durch die elektromagnetische Kraft finden sich die Elektronen in Wolken um die Kerne ein, so dass Atome entstehen. Bei sehr hohen Dichten existieren jedoch keine Atome mehr. Bei Neutronensterndichten werden die Elektronen in die Kerne gepresst, und die Materie wird zu einer Flüssigkeit aus Protonen und Neutronen. Man spricht von Nuklearer Materie. Bei hinreichend großer Dichte tritt Materie dann in Form einer Quark-Flüssigkeit in Erscheinung, der sogenannten Quark Materie, deren Verhalten hauptsachlich von der starken Kraft bestimmt wird. Das Standard Modell beinhaltet eine Theorie der starken Wechselwirkung: Quantenchromodynamik, oder kurz, QCD. Ziel des Projektes war es, die Eigenschaften von Materie bei den höchsten Dichten im Universum, und darüber hinaus, mittels QCD zu untersuchen. Es ist sehr aufwendig die mathematischen Gleichungen zu lösen, in der die Vorhersagen formuliert werden. Basierend auf allgemeinen Argumenten haben vorhergehende Studien gefunden, dass sich Materie bei höchsten Dichten in Phasen arrangiert, die wir auch beim Studium von Materie auf der Erde finden: Supraleiter, Suprafluide, Isolatoren, u.s.f.. Die Hauptmotivation für die zentrale Fragestellung dieses Projekts war eine Studie, die die Präsenz von Elektronen in farbsupraleitender Quark Materie vorhersagt. Diese Aussage steht im Gegensatz zur etablierten Meinung, wonach dies nicht der Fall sein sollte. Mit Hilfe eines Modelles ist es uns gelungen, Licht in diese Fragestellung zu bringen. Dabei konnten wir nicht nur die Präsenz der Elektronen in dieser Phase bestätigen, sondern auch einen Mechanismus identifizieren, der für dieses Phänomen verantwortlich ist. Diese Hauptaussage des Projektes wurde in einem der besten Physikjournale, in Physical Review Letters, publiziert.