Neutronen im Gitter

Experimente zur Lebensdauer eines Neutrons zeigen verblüffende und unerklärte Abweichungen. Um dieses Problem der sub­atomaren Physik anzugehen, hat ein Team von Physikern aus Jülich, Großbritannien und den USA eine Simulation eines mikro­skopischen Universums geschaffen. Damit konnten sie erst­malig eine fundamentale Natur­konstante der Kern­physik direkt berechnen – ein Meilen­stein.

Knapp fünfzehn Minuten „lebt“ ein Neutron, bevor es zerfällt. Sie sind nur stabil, solange sie in Atom­kernen stecken. Doch ungebunden zerfallen sie nach einer knappen Viertel­­stunde in andere Teilchen – Protonen, Elektronen und Anti­neutrinos. Um die Lebens­dauer der Neutronen zu bestimmen, beobachten Wissenschaftler entweder das Auftauchen dieser Zerfalls­produkte oder aber das Verschwinden der Neutronen selbst. Doch die beiden verschiedenen Typen von Experimenten liefern unter­schiedliche Ergebnisse. Die Abweichung beträgt weniger als neun Sekunden. Das erscheint nicht viel – doch die Konflikte zwischen den experimentellen Messungen könnten zentrale Fragen über die neue Physik jenseits der bekannten Teilchen und Prozesse im Universum beantworten.

Jetzt hat ein internationales Team von Wissen­schaftlern mithilfe von Super­computern erstmals eine Größe berechnet, die für das Verständnis der Lebens­dauer von Neutronen von zentraler Bedeutung ist: die axiale Kopplungs­konstante der schwachen Wechsel­wirkung, oder kurz gA. „Sie bestimmt, mit welcher Kraft die Teilchen im Atom­kern zusammen­gehalten werden, sowie die Rate des radio­aktiven Zerfalls des Neutrons“, erklärt Evan Berkowitz vom Jülicher Institut für Kern­physik. „Wir konnten die Kopplungs­konstante mit einer beispiel­losen Präzision berechnen – und unsere Methode weist den Weg zu weiteren Verbesserungen, die die experimentelle Diskrepanz in der Lebens­dauer des Neutrons aufklären können.“

Für die Berechnung wandten sich die Forscher einem Eck­pfeiler des Standard­modells der Teilchen­physik zu: der Quanten­chromo­dynamik (QCD). Sie beschreibt, wie Quarks und Gluonen mit­einander wechsel­wirken. Diese Wechsel­wirkungen bestimmen die Masse der Kern­teilchen und die Stärke der Kopplung – und damit den Wert der Kopplungs­konstanten.

QCD-Berechnungen sind jedoch äußerst komplex. Für ihre Kalkulationen nutzten die Forscher daher eine numerische Simulation, die als Gitter-QCD bezeichnet wird. „In ihr werden Raum und Zeit durch Punkte auf einem Gitter repräsentiert“, erklärt Berkowitz. „Durch diese Konstruktion wird eine Berechnung der Beziehungen zwischen den Elementar­teilchen grund­sätzlich möglich – allerdings auch dann nur mithilfe leistungs­fähiger Super­computer.“ Die Wissen­schaftler nutzten für ihre Simulationen den Super­computer Titan des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee.

Die Kopplungskonstante, die bisher nur aus Neutronen­zerfalls-Experimenten abgeleitet werden konnte, ließ sich so erst­mals direkt aus dem Standard­modell bestimmen. Die Forscher schufen dafür eine Simulation eines winzigen Teils des Universums mit einer Ausdehnung von nur wenigen Neutronen. Das Modell­universum enthält ein einzelnes Neutron inmitten eines „Sees“ von Gluonen und Paaren von Quarks und ihren Anti­teilchen, den Anti­quarks. In diesem Mikro­kosmos simulierten die Wissenschaftler den Zerfall eines Neutrons – um so vorher­zusagen, was in der Natur passiert.

Damit, so Berkowitz, lassen sich zum ersten Mal zwei Ergebnisse für gA aus völlig unabhängigen Quellen miteinander vergleichen – aus den Neutronen­zerfalls-Experimenten und denen, die anhand des Standard­modells berechnet wurden. „Schon kleinste Abweichungen zwischen den Werten könnten zu neuen Entdeckungen führen: über dunkle Materie, die Asymmetrie zwischen Materie und Anti­materie, sowie über andere fundamentalen Fragen zur Natur des Universums.“

„Mit unserer Simulation konnten wir außerdem zeigen, dass Gitter-QCD auch für die Grundlagen­forschung in der Physik der Atom­kerne verwendet werden kann“, erklärt Berkowitz. Bisher wurde die Methode haupt­sächlich für Elementar­teilchen­physik verwendet, also für die Physik der Quarks und Gluonen. „Diese Berechnungen läuten eine neue Ära ein. Wir können nun Größen der Kern­physik direkt aus dem Standard­modell genauer bestimmen, ohne auf experimentelle Mess­daten oder phänomenologische Modelle zurückgreifen zu müssen.“

FZJ / DE