Die Broschüre des John von Neumann-Instituts für Computing gibt es auf deutsch und auf englisch. Sie kann bestellt werden beim NIC-Sekretariat (nic@fz-juelich.de).

Vorwort	Super- computing	Astro- physik	Elementar- teilchen	Viel- teilchen	Polymere	Chemie	Umwelt	Sonstige Gebiete

    Elementarteilchenphysik

Begleittext "Elementarteilchenphysik"	Klaus Schilling, NIC-FG Elementarteilchenphysik
Aufbau der Materie
Die Femtowelt unter dem "Computer-Mikroskop"	Klaus Schilling, NIC-FG Elementarteilchenphysik
Monopole	Thomas Lippert, Theoretische Physik, Universität Wuppertal
Numerische Simulation supersymmetrischer Quantenfeldtheorien	Robert Kirchner, Istvan Montvay, Jörg Westphalen, DESY Hamburg; Silke Luckmann, Klaus Spanderen, Institut für Theoretische Physik I, Universität Münster

Begleittext "Elementarteilchenphysik"

Wenn wir auf die kleinste uns zugängliche Längenskala hinabsteigen, dann werden Moleküle und Atome zu riesigen Gebilden, ja wir betrachten selbst die Kernbausteine Proton und Neutron "von innen". Letztere gehören zur Klasse der sogenannten Hadronen, welche einer sehr starken Wechselwirkung mit Reichweite 1 Femtometer = 10^-15 m unterliegen. Nach heutiger Vorstellung wird diese Femtowelt im Rahmen des Standardmodells der Elementarteilchen durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben. Dies ist die fundamentale Theorie der starken Wechselwirkung der Materie. Grundbausteine der hadronischen Materie sind dabei die sogenannten Quarks. Sie tragen eine neuartige Form von Ladung (Farbladung). Im Unterschied zu Atomen oder Atomkernen sind sie als freie Objekte nicht direkt nachweisbar, da sie stets in "farbneutrale" hadronische Zustände gebunden sind.

Computer der allerhöchsten Leistungsklasse sind erforderlich, um die Grundgleichungen der QCD im Hinblick auf Vorhersagen auszuwerten. Das zweite Bild zeigt die Feldverteilung um ein statisches, gebundenes Quark-Antiquarkpaar, wie sie in einer Computersimulation im NIC errechnet wurde. Das Auflösungsvermögen des "Computerexperimentes" wird hier aus dem eingezeichneten Netz ersichtlich und ist, ähnlich wie bei einem realen Experiment, wesentlich durch die Rechenleistung und die Speichergröße der Apparatur (hier des Computers) bestimmt. Die räumliche Auflösung erreichte auf der Anlage des NIC 1/20 Femtometer. Zum Vergleich: ein Proton hat einen Durchmesser von etwa 1 Femtometer.

Die Auswertung erfolgt stochastisch, und daher sind die Meßpunkte mit Fehlern behaftet wie bei einem realen Experiment im Labor. Man erkennt die Positionen der beiden Teilchen aus den Spitzen der Feldverteilung. Dazwischen bildet sich ein elongierter Flußschlauch aus, der für das oben beschriebene Confinementphänomen charakteristisch ist. Am NIC war es erstmals möglich, die Bildung dieses Flußschlauchs über eine Distanz von 2 Fermi mit ausreichender Präzision zu verfolgen.

Auf der Suche nach Einblicken in die Physik der Femtowelt ist die theoretische Elementarteilchenphysik heute weltweit zu einem Motor für die Entwicklung von Supercomputern geworden. Beispiel hierfür ist der massiv-parallele Rechner APEmille, der von Physikern des italienischen INFN entwickelt wurde und nun in Kooperation mit dem NIC fertiggestellt wird. Bei einem Stromverbrauch von nur 20 - 30 kW wird er eine reale Leistung von etwa 500.000 MFlops erbringen - das ist etwa das 5000fache einer modernen Workstation.

Wesentliche Einsichten in die Natur einer Quantenfeldtheorie kann man gewinnen aus dem Studium ihres Grundzustandes, also des Vakuums. Je tiefer wir in die Welt des Mikrokosmos hineinschauen, um so komplizierter erscheint die Struktur des Vakuums. Makroskopische Theorien wie die Newtonsche Mechanik verstehen das Vakuum - seinem Namensursprung entsprechend - noch als die absolute Leere. Aber bereits auf atomarer Skala wird das Vakuum durch Quantenfluktuationen geprägt.

Das dritte und das vierte Bild geben Aufschluß über mögliche Vakuumstrukturen im Bereich kleinster Längenskalen, in zwei der QCD verwandten quantenfeldtheoretischen Modellen. Auch in diesen Fällen agiert der Supercomputer wie ein "Mikroskop", mit dem wir die komplexe Struktur des Vakuums sichtbar machen können.

Im Rahmen des SESAM-Projektes erfolgte die Berechnung von QCD-Vakuumkonfigurationen am NIC mit Hilfe von APE-Computern. Die entsprechenden Rechnungen sind äußerst aufwendig: sie würden auf einer modernen Workstation etwa 2.000.000 Stunden Rechenzeit erfordern. Andere Supercomputer wie die CRAY T3E dienen der Auswertung.

(Klaus Schilling, NIC-FG Elementarteilchenphysik

Aufbau der Materie

Nahezu die gesamte Masse der Atome ist im Atomkern konzentriert, der aus Protonen und Neutronen besteht und durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten wird. Protonen und Neutronen (Hadronen) selbst sind wiederum aus drei Quarks aufgebaut, die durch den Austausch von Gluonen (glue = Klebstoff) zusammengehalten werden. Soweit heute bekannt ist, haben Quarks und Gluonen keine weitere Substruktur.

Die Femtowelt unter dem "Computer-Mikroskop"

Man erkennt, daß die statische Wechselwirkung zwischen Quark und Antiquark durch Ausbildung eines engen Flußschlauches erfolgt. Er verhindert, daß Quarks von Antiquarks isoliert werden können.

(Klaus Schilling, NIC-FG Elementarteilchenphysik)

Monopole

Die Stromlinien magnetischer Monopole bilden geschlossene Schleifen in der vierdimensionalen euklidischen Gitterwelt der Quantenelektrodynamik. Zwar wurden magnetische Monopole in der klassischen Elektrodynamik bisher nicht entdeckt, jedoch können sie in der quantisierten Theorie als Feldfluktuationen in Erscheinung treten. In der Nähe des sogenannten Confinement-Deconfinement-Phasenübergangs zeigen sie auf dem Gitter extreme Dichteschwankungen. An dieser Stelle gibt es eine hohe Chance, eine neue exotische Phase der Elektrodynamik mit ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften zu entdecken. In Simulationsrechnungen auf dem Parallelcomputer CRAY T3E wollen wir klären, welche Rolle magnetische Monopole in diesem Zusammenhang spielen. Die Visualisierung hilft uns, effiziente Simulationsalgorithmen zu entwickeln, die direkt an den Monopolströmen angreifen. Die vierte Dimension wurde dabei farblich kodiert: Wandert der Monopol in Zeitrichtung, so ändert der zugehörige Pfeil seine Farbe. So lassen sich auf einfache Weise die geschlossenen Stromschleifen im periodisch fortgesetzten Raum identifizieren.

(Thomas Lippert, Theoretische Physik, Universität Wuppertal)

Numerische Simulation supersymmetrischer Quantenfeldtheorien

Das Standardmodell der elementaren Wechselwirkungen ist eine Quantenfeldtheorie, die im Prinzip alle bekannten physikalischen Phänomene bis auf die Gravitation erklärt. Einer Voraussetzung für den Einbau der Gravitation in diesen erfolgreichen theoretischen Rahmen liegt die Annahme zugrunde, daß oberhalb des erreichbaren Energiebereichs die physikalischen Prozesse ein sehr hohes Maß an Symmetrie, die sogenannte "Supersymmetrie", aufweisen.

Auf den mit heutigen Beschleunigern zugänglichen Energieskalen ist die Supersymmetrie nicht vorhanden. Dieser scheinbare Widerspruch wird durch die Existenz verschiedener Vakuumzustände in der supersymmetrischen Quantenfeldtheorie aufgelöst. Demnach sind die beobachtbaren physikalischen Zustände auf nur einem dieser Vakuumzustände aufgebaut. Die Supersymmetrie wird durch diese Beschränkung verletzt, was ihre Abwesenheit in den bisherigen Beobachtungen erklärt.

Im Rahmen des "einfachsten" Modells einer supersymmetrischen Eichtheorie konnte die Existenz verschiedener Grundzustände mit gleicher Energie nachgewiesen werden. In diesem Modell treten genau zwei Vakuumzustände in räumlich getrennten Gebieten auf. Diese sind in der Abbildung als Momentaufnahme während einer dynamischen Simulation gezeigt. Auf diese Weise ist es erstmals gelungen, ein wesentliches Element supersymmetrischer Theorien, das bis jetzt nur auf hypothetischen Annahmen basierte, in einer Computersimulation nachzuweisen.

(Robert Kirchner, Istvan Montvay, Jörg Westphalen, DESY Hamburg; Silke Luckmann, Klaus Spanderen, Institut für Theoretische Physik I, Universität Münster)

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