Am Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz erforschen WissenschafterInnen die kleinsten und zugleich größten Geheimnisse des Universums: die Eigenschaften und Wechselwirkungen der Elementarteilchen. Mit Hilfe von Berechnungen und Simulationen ist die Arbeitsgruppe „Theoretische Elementarteilchenphysik“ unter der Leitung von Univ.-Prof. Dr. Reinhard Alkofer, Univ.-Prof. Dr. Christof Gattringer und Univ.-Prof. Dr. Christian Lang dem Verhalten von Quarks und Gluonen, den fundamentalen Bausteinen der Materie, auf der Spur. Dabei entdeckten die ForscherInnen kürzlich neue Eigenschaften von Gluonen, wenn diese an Quarks andocken. In ihrem Forschungsbereich ist die Grazer Arbeitsgruppe die stärkste in ganz Österreich.
99,9 Prozent der Masse der sichtbaren Materie bestehen aus Quarks und Gluonen. Mehrere Quarks bilden Hadronen, wie zum Beispiel Protonen und Neutronen. Gluonen sind die „Kraftteilchen“, die zwischen den Quarks ausgetauscht werden und dabei Bindungsenergie beziehungsweise die sogenannte Starke Wechselwirkung erzeugen. Sie sind unter anderem für die Anziehung von Protonen und Neutronen in einem Atomkern verantwortlich. Die Theorie, die die Wechselwirkung von Quarks und Gluonen beschreibt, ist die Quantenchromodynamik (QCD). Sie experimentell zu überprüfen, ist in der Elementarteilchenphysik naturgemäß sehr schwierig. „Daher versuchen wir, uns der Theorie über verschiedenste Berechnungsmethoden zu nähern“, erklärt Reinhard Alkofer. „Die Sprache, mit der wir die Phänomene des Universums erforschen und beschreiben, ist die Mathematik.“ Dazu stehen den PhysikerInnen der Karl-Franzens-Universität Hochleistungscomputer zur Verfügung, die sie gemeinsam mit KollegInnen der TU Graz nutzen. Die Herausforderung ist, die Berechnungsverfahren immer weiter zu optimieren. Das ist Reinhard Alkofer mit seinem Team in einem Bereich nun gelungen. Durch Simulationen haben die Grazer ForscherInnen neue Strukturen in der Quark-Gluon-Wechselwirkung entdeckt. „Wir konnten erstmals präzise Eigenschaften von Gluonen beim Ankoppeln an Quarks berechnen, die bisher nicht berücksichtigt wurden“, berichtet der Physiker.
Ein anderes Thema, das die Grazer WissenschafterInnen beschäftigt, ist die Frage, wie sich die Elementarteilchen bei hohen Temperaturen und hoher Dichte verhalten, also bei Bedingungen, wie sie kurz nach der Geburt des Universums vorherrschten. „Nach dem Urknall war es Millionen Mal heißer als heute im Inneren der Sonne. Quarks und Gluonen befanden sich damals ungebunden im sogenannten Quark-Gluon-Plasma“, informiert Christof Gattringer. Im Zuge der Abkühlung des Universums kondensierte das Plasma dann zu Protonen, Neutronen und anderen Teilchen aus. „Wie sich der Phasenübergang vom Quark-Gluon-Plasma in den heutigen Zustand vollzog, gehört zu den spannendsten Themen der Quantenchromodynamik“, so Gattringer, Sprecher des Doktoratskollegs (DK) „Hadronen im Vakuum, in Kernen und Sternen“. Das vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF geförderte DK, in dem rund rund 20 ausgewählte DissertantInnen eine exzellente Ausbildung erhalten, soll dafür sorgen, dass die Forschung in der Elementarteilchenphysik weiter erfolgreich vorangetrieben wird. Neue Erkenntnisse werden dazu beitragen, der Beantwortung noch offener Fragen zur Entstehung des Kosmos näherzukommen.
Die Arbeitsgruppe „Theoretische Elementarteilchenphysik“ ist in den universitätsweiten Forschungsschwerpunkt „Modelle und Simulation“ der Karl-Franzens-Universität Graz eingebunden.