Der chirale Phasenübergang mit stochastischer Hydrodynamik

Atome sind die Bausteine der Natur, aber sie sind nicht unteilbar. In der Mitte jedes Atoms befindet sich ein Kern, der aus Protonen und Neutronen besteht. Was hält diese Teilchen zusammen? Es stellt sich heraus, dass sie aus Quarks bestehen, die von Gluonen zusammengeklebt werden. Die Kraft, welche die Quarks und Gluonen zusammenhält, ist eine grundlegende Naturkraft, die als starke Kraft bekannt ist. Um die starke Kraft zu untersuchen, schießen Physiker Goldionen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) im Brookhaven National Laboratory und Bleiionen am Large Hadron Collider (LHC) im CERN aufeinander. Diese hochenergetischen Kollisionen erzeugen für einen sehr kurzen Zeitraum einen neuen Aggregatzustand, der Quark-Gluon-Plasma (QGP) genannt wird. Das Studium dieses exotischen Materiezustands ist nicht nur deshalb interessant, weil es uns zeigt, wie Atomkerne zusammenkleben, sondern auch, weil wir etwas über die frühe Geschichte unseres Universums lernen können. Tatsächlich war das gesamte Universum während der ersten zehn Mikrosekunden von QGP erfüllt. Physiker haben beobachtet, dass das durch diese Kollisionen erzeugte Material sich rapide abkühlt und ausdehnt und einen Phasenübergang durchläuft. Ein Phasenübergang ist, wenn Materie ihren Zustand ändert. Wasser, das am Gefrierpunkt zu Eis wird, ist ein bekanntes Beispiel für einen Phasenübergang. Der im LHC und RHIC untersuchte Phasenübergang wird als chiraler Phasenübergang bezeichnet. Es gibt zwei Arten von Teilchen: Links- und Rechtshänder. Chiralität ist eine Eigenschaft, die angibt, ob die linkshändigen Teilchen mit den rechtshändigen identisch sind. Ein chiraler Phasenübergang findet statt, wenn Materie von einer chiralen in eine nicht-chirale Phase übergeht. Obwohl viel Forschungsarbeit geleistet wurde, ist die genaue Natur des chiralen Phasenübergangs noch immer nicht vollständig geklärt. Ein Weg, um Fortschritte beim Verständnis des chiralen Phasenübergangs zu erzielen, kann darin bestehen, eine andere bekannte Tatsache über das QGP zu verwenden, nämlich, dass es sich wie eine Flüssigkeit verhält. Physiker haben diese Besonderheit des QGP in Experimenten am LHC und am RHIC beobachtet und festgestellt, dass sich das QGP in vielerlei Hinsicht wie die perfekteste Flüssigkeit verhält, die jemals beobachtet wurde. Ein Charakteristikumfür die Fließfähigkeit des QGP ist seine niedrige spezifische Viskosität. Die Viskosität ist ein Maß für die Trägheit, mit der eine Flüssigkeit fließt: Je niedriger die Viskosität, desto besser der Fluss. Honig hat eine höhere Viskosität als Wasser. Überraschenderweise ist das QGP eine der am wenigsten viskosen Flüssigkeiten, denen Physiker begegnet sind. Daher ist es eine nützliche theoretische Idee, die komplizierten QGP-produzierenden Kollisionen als Flüssigkeit zu modellieren. Die Theorie, die diesem Ansatz zugrunde liegt, wird als stochastische relativistische Hydrodynamik bezeichnet, mit deren Hilfe der chirale Phasenübergang untersucht werden kann.

Atome sind die Bausteine der Natur, aber sie sind nicht unteilbar. In der Mitte jedes Atoms befindet sich ein Kern, der aus Protonen und Neutronen besteht. Was hält diese Teilchen zusammen? Es stellt sich heraus, dass Atomkerne aus Quarks bestehen, die von Gluonen (aus dem Englischen von "glue") "zusammengeklebt" werden. Die Kraft, welche die Quarks und Gluonen zusammenhält, ist eine fundamentale Naturkraft, die als starke Kernkraft bekannt ist. Um die starke Kraft zu untersuchen, lassen Physiker Goldionen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) und Bleiionen am Large Hadron Collider (LHC) bei hohen Geschwindigkeiten kollidieren. Die hochenergetischen Kollisionen erzeugen für einen sehr kurzen Zeitraum einen neuen Aggregatzustand, der als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bekannt ist. Das Studium dieses exotischen Materiezustands ist nicht nur deshalb interessant, weil es uns zeigt, wie Kerne "zusammenkleben", sondern auch, weil wir etwas über die frühe Geschichte unseres Universums lernen können. Tatsächlich befand sich das frühe Universum in den ersten Millisekunden nach dem Urknall in einem Zustand ähnlich dem QGP. Physiker haben beobachtet, dass das durch diese Kollisionen erzeugte Materia sich durch Ausdenhnung abkühlt und einen Phasenübergang durchläuft. Ein Phasenübergang ist, wenn Materie ihren Aggregatzustand ändert. Wasser, das am Gefrierpunkt zu Eis wird, ist ein bekanntes Beispiel für einen Phasenübergang von einer flüssigen zu einer festen Phase. Der im LHC und RHIC untersuchte Phasenübergang ist als chiraler Phasenübergang bekannt. Es gibt zwei Arten von Teilchen: Links- und Rechtshänder. Chiralität ist eine Eigenschaft, die angibt, ob die linkshändigen Teilchen mit den rechtshändigen identisch sind. Der chirale Phasenübergang findet statt, wenn Materie von einer chiralen in eine nicht-chirale Phase übergeht. Obwohl bereits viel zu diesem Thema geforscht wurde, ist die genaue Natur des chiralen Phasenübergangs immer noch nicht komplett verstanden. Ein Weg, um Fortschritte beim Verständnis des chiralen Phasenübergangs zu erzielen, kann darin bestehen, eine andere bekannte Tatsache über das QGP zu verwenden, nämlich, dass es sich wie eine Flüssigkeit verhält. Physiker haben diese Besonderheit des QGP in Experimenten am LHC und am RHIC beobachtet und festgestellt, dass sich das QGP in vielerlei Hinsicht wie die "perfekteste" Flüssigkeit verhält, welche die Natur vorkommen kann. Ein einfaches Beispiel für die Fließfähigkeit des QGP ist seine niedrige Viskosität. Viskosität ist ein Maß für die Trägheit, mit der eine Flüssigkeit fließt: Je niedriger die Viskosität, desto besser der Fluss. Honig hat zum Beispiel eine höhere Viskosität als Wasser. Überraschenderweise ist das QGP eine der am wenigsten viskosen Flüssigkeiten, die jemals gemessen wurde. Es ist daher ein nützlicher theoretischer Ansatz, das QGP als Flüssigkeit zu modellieren. Die Theorie, die diesem Ansatz zugrunde liegt, ist als stochastische relativistische Hydrodynamik bekannt. Im Rahmen meiner Forschung habe ich den Hauptbeitrag zur QGP-Viskosität ermittelt, der sich aus dem chiralen Phasenübergang in einer Reihe relevanter analytischer und numerischer Modelle ergibt.