Quantenchromodynamik unter extremen Bedingungen

Quantenchromodynamik, die grundlegende Theorie der starken Kernkraft, beschreibt letztere durch niemals direkt beobachtbare Quarks und Gluonen. Durch Beschleunigerexperimente mit Schwerionen kann die Quantenchromodynamik bei extremen Temperaturen und Dichten experimentell untersucht werden, und diese Experimente lieferten Hinweise auf einen neuen Materiezustand, dem Quark-Gluon-Plasma, mit überraschend stark kollektivem Verhalten, das durch konventionelle Methoden nicht erklärt werden konnte. Stattdessen stellte sich eine aus der Superstring-Theorie kommende "holographische" Beschreibung von stark gekoppelten Eichtheorien bei hohen Temperaturen über 5-dimensionale Geometrien mit darin eingebetteten schwarzen Löchern als erfolgreich heraus. Mit dem neuen Beschleuniger LHC am CERN werden demnächst Schwerionen- Kollisionsexperimente bei wesentlich höheren Energien als bisher möglich, und dabei könnte der theoretisch erwartete Übergang zu einem intrinsisch schwach gekoppelten Quark-Gluon-Plasma beobachtet werden. Ein solches würde neue kollektive Effekte wie zum Beispiel nicht-Abelsche Plasmainstabilitäten ermöglichen. Das Ziel dieses Projektes ist die Analyse von Gleichgewichts- und Nicht-Gleichgewichtsphänomenen eines Quark-Gluon- Plasmas und seine Charakterisierung in den beiden Fällen von intrinsisch starker und schwacher Kopplung.

Quantenchromodynamik, die grundlegende Theorie der starken Kernkraft, beschreibt letztere durch niemals direkt beobachtbare Quarks und Gluonen. Durch Beschleunigerexperimente mit Schwerionen kann die Quantenchromodynamik bei extremen Temperaturen und Dichten experimentell untersucht werden, und diese Experimente lieferten Hinweise auf einen neuen Materiezustand, dem Quark-Gluon-Plasma, mit überraschend stark kollektivem Verhalten, das durch konventionelle Methoden nicht erklärt werden konnte. Stattdessen stellte sich eine aus der Superstring-Theorie kommende holographische Beschreibung von stark gekoppelten Eichtheorien bei hohen Temperaturen über 5-dimensionale Geometrien mit darin eingebetteten schwarzen Löchern als erfolgreich heraus. Mit dem neuen Beschleuniger LHC am CERN werden wurden Schwerionen-Kollisionsexperimente bei wesentlich höheren Energien als bisher möglich, und dabei können die theoretischen Beschreibungen experimentell getestet werden. Dies erlaubt auch Rückschlüsse auf astrophysikalische Fragestellungen wie das Innere von Neutronensternen, in denen so hohe Dichten vorliegen könnten, dass dort Quark-Materie statt gewöhnlicher Kernmaterie vorliegt. Sowohl bei Schwerionen-Kollisionen wie bei manchen Neutronensternen treten zudem extreme Magnetfelder auf, die zu neuartigen Effekten auf die Struktur der Materie hat.In diesem Projekt wurden zum einen derartige Effekte analysiert, wobei der vor einigen Jahren entdeckte sogenannte chirale magnetische Effekt in 5-dimensionalen Beschreibungen reproduziert werden konnte, der eine Separation von geladenen Teilchen im Quark-Gluon-Plasma vorhersagt, die auch experimentell beobachtet werden konnte. Für die nicht direkt zugänglichen stark magnetisierten Neutronensterne (sogenannte Magnetare), wurde in diesem Projekt ein neuer Effekt gefunden, der inverse magnetische Katalyse genannt wird, und Auswirkungen auf die Phasenstruktur von dichter Quark- und Kernmaterie hat.Ein weiterer Schwerpunkt war die Analyse von Nichtgleichgewichtseffekten in Schwerionen-Kollisionen, wofür 5-dimensionale Beschreibungen entwickelt wurden, die als einen überraschenden, neuen Effekt auf extrem verminderte Viskositäten in einem anisotropen Quark-Gluon-Plasma führten. Damit wurde eine vorher vermutete untere Grenze für die Viskosität unterboten, mit der ein Quark-Gluon-Plasma als eine Quantenflüssigkeit erscheint, die einen Rekordwert für diesen physikalischen Parameter aufweist. Zahlreiche andere Eigenschaften wurden mit den neuen stringtheoretischen Methoden berechnet und mit numerischen Supercomputer-Simulationen eines ansiotropen Quark-Gluon-Plasma verglichen, die in den nächsten Jahren bei Schwerionenkollisionen bei noch höheren Energien als bereits erreicht untersucht werden können.