Die Quantenchromodynamik (QCD) ist die anerkannte Theorie der starken Wechselwirkung, die für die Bindung von Quarks zu Hadronen wie Protonen und Neutronen und für die Bindung von Protonen und Neutronen zu Atomkernen verantwortlich ist. Die fundamentalen Teilchen der QCD, die Quarks und Gluonen, tragen eine neue Form von Ladung, die im Falle der Quarks als Farbe bezeichnet wird, da sie in Form von Tripletts vorliegt (z. B. rot, grün, blau); Gluonen gibt es in acht verschiedenen Farben, die sich aus Farb- und Antifarbladungen zusammensetzen. Allerdings wurden Quarks und Gluonen noch nie als freie Teilchen beobachtet. Da Quarks jedoch auch eine elektrische Ladung haben, können sie durch tiefe inelastische Streuung mit virtuellen Photonen buchstäblich als Bestandteile von Hadronen gesehen werden. Je höher die Energie des untersuchenden Photons ist, desto mehr erscheinen die Quarks als Teilchen, die sich innerhalb eines Hadrons frei ausbreiten. Diese Eigenschaft wird als "asymptotische Freiheit" bezeichnet. Sie ergibt sich aus der so genannten nichtabelschen Eichfelddynamik, wobei Gluonen die Anregungen der nichtabelschen Eichfelder sind, ähnlich wie Photonen die Anregungen der elektromagnetischen Felder sind, mit dem Unterschied, dass Gluonen auch Farbladungen tragen. Die asymptotische Freiheit ist gut verstanden, und ihre Hauptentdecker Gross, Politzer und Wilczek erhielten 2004 den Nobelpreis.

Weit weniger bekannt ist das Phänomen des "Confinement", das bedeutet, dass nur farbneutrale gebundene Zustände von Quarks und Gluonen beobachtet werden können. Dieses Confinement kann überwunden werden, wenn die Temperatur sehr hoch ist, wie zum Beispiel bei den ersten Anfängen des frühen Universums. In diesem Fall bilden Quarks und Gluonen eine Quantenflüssigkeit, die als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet wird. Seine einzigartigen Eigenschaften werden auf der Erde in den großen Kollisionsanlagen am LHC (CERN, Schweiz) oder am RHIC (BNL, Vereinigte Staaten) untersucht, wo dieses Plasma in ultrarelativistischen Schwerionen-Kollisionsexperimenten erzeugt wird.

Ein Quark-Gluon-Plasma entsteht bei der Kollision zweier Kerne. Diese Abbildung zeigt ein Dichteplot der Energiedichte der beiden Kerne A und B (rot) und das dreidimensionale Glasma, das bei der Kollision entsteht (aus Physics Letters B 771, 74 (2017), öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster).

Thermodynamik des Quark-Gluon-Plasmas

Wir untersuchen an unserem Institut verschiedene thermische und nicht-thermische Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas, wobei wir einen besonderen Schwerpunkt auf seine nicht-gleichgewichtige frühzeitige Entwicklung kurz nach der Schwerionenkollision legen. Durch den Einsatz einer Vielzahl verschiedener Techniken, die Störungsrechnungen, kinetische Theorie, Hydrodynamik, Holographie, Echtzeit-Gittersimulationen und künstliche neuronale Netze umfassen, können wir nicht nur dynamische und universelle Schlüsseleigenschaften des Plasmas extrahieren, sondern auch Verbindungen zu anderen Forschungsgebieten wie maschinelles Lernen, Gravitation, das frühe Universum und Experimente mit ultrakalten Bose-Gasen herstellen.

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