Die von RIKEN-Forschern vorhergesagte Existenz eines exotischen Teilchens aus sechs Elementarteilchen, den sogenannten Quarks, könnte das Verständnis dafür vertiefen, wie sich Quarks zu Atomkernen verbinden.
Quarks sind die Grundbausteine der Materie. Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die wiederum aus je drei Quarks bestehen. Teilchen, die aus drei Quarks bestehen, werden zusammenfassend als Baryonen bezeichnet.
Wissenschaftler haben lange über die Existenz von Systemen nachgedacht, die zwei Baryonen enthalten, die als Dibaryonen bekannt sind. In der Natur gibt es nur ein Dibaryon - das Deuteron, ein Wasserstoffkern bestehend aus einem Proton und einem Neutron, die sehr schwach miteinander verbunden sind. Einblicke in andere Dibaryonen wurden in nuklearphysikalischen Experimenten gefunden, aber ihre Existenz war sehr flüchtig.
„Obwohl das Deuteron das einzige bekannte stabile Dibaryon ist, kann es noch viel mehr Dibaryonen geben“, sagt Takuya Sugiura vom RIKEN Interdisziplinären Theoretischen und Mathematischen Wissenschaftsprogramm. „Es ist wichtig zu untersuchen, welche Baryonenpaare Dibaryonen bilden und welche nicht, denn dies liefert wertvolle Informationen darüber, wie Quarks Materie bilden.“
Die Quantenchromodynamik ist eine sehr erfolgreiche Theorie, die beschreibt, wie Quarks miteinander interagieren. Aber die starke Kopplung, die zwischen Quarks in Baryonen entsteht, erschwert die Berechnungen der Quantenchromodynamik. Noch komplexer werden Berechnungen, wenn man die gebundenen Zustände von Baryonen wie Dibaryonen berücksichtigt.
Durch die Berechnung der Kraft zwischen zwei Baryonen, die jeweils drei Charm-Quarks (c-Quark, eine der sechs Quarks-Arten) enthalten, sagten die Wissenschaftler nun die Existenz eines Dibaryons voraus, das sie Charm-Di-Omega nannten.
Für diese Berechnung löste das Team die Quantenchromodynamik mit groß angelegten numerischen Berechnungen. Da die Berechnungen eine Vielzahl von Variablen beinhalteten, verwendeten sie zwei leistungsstarke Supercomputer: den K-Computer und den HOKUSAI-Supercomputer.
„Wir hatten das große Glück, Zugang zu Supercomputern zu haben, die die Kosten und den Zeitaufwand für die Berechnungen drastisch reduziert haben“, sagt Takuya Sugiura. "Aber wir haben noch mehrere Jahre gebraucht, um die Existenz des Charmes di-Omega vorherzusagen."
Trotz der rechnerischen Komplexität ist der Charme di-Omega das einfachste System zum Studium der Wechselwirkungen zwischen Baryonen.
Forscher untersuchen jetzt andere verzauberte Hadronen mit dem Fugaku-Supercomputer, einem leistungsfähigeren Nachfolger des K.
„Uns interessieren vor allem Wechselwirkungen zwischen anderen Teilchen, die bezauberte Quarks enthalten“, sagt Takuya Sugiura. "Wir hoffen, das Geheimnis zu enthüllen, wie Quarks sich zu Teilchen verbinden und welche Teilchen existieren könnten."
Die Studie wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.
2021-12-11 21:23:00
Autor: Vitalii Babkin