Sterne aus Quark(s)? Paul Romatschke versucht, Materie unter Extrembedingungen zu verstehen...
Ich bin Dissertant am Institut für Theoretische Physik der TU-Wien in der Arbeitsgruppe Thermische Quantenfeldtheorie unter der Leitung von Prof.A.Rebhan. Das obige Bild mag nun die Vermutung nahelegen, ich würde mich hauptsächlich mit Strings beschäftigen; dies ist allerdings nicht der Fall, denn mein Dissertationsthema ist "QCD-Quasiteilchen bei endlichem chemischem Potential". Was das genau bedeutet, soll hier im Folgenden erklärt werden:
In unserer Arbeitsgruppe versuchen wir, die Theorie der Starken Wechselwirkung (Quantenchromodynamik, QCD) über dem Phasenübergang zu beschreiben, also z.B. bei so hohen Temperaturen, dass normale Kernmaterie sich in das sogenannte Quark-Gluon-Plasma auflöst. Die zugrundeliegende Idee ist, dass weit genug über dem Phasenübergang die Wechselwirkung der Bausteine der Kernmaterie, Quarks und Gluonen, schwach genug ist, um als kleine Störung behandelt zu werden. Im Gegensatz zu anderen Theorien besitzt die Störungstheorie in der QCD aber derart schlechte Konvergenzeigenschaften, dass sie für physikalisch interessante Bereiche in der Nähe des Phasenübergangs wohl kaum zu gebrauchen ist. In den 90er-Jahren des vorigen Jahrhunderts jedoch wurde eine Methode vorgeschlagen, die die Störungstheorie umorganisiert (die sogenannte Hard-Thermal-Loop Resummation), und die von A.Rebhan in Zusammenarbeit mit unserer befreundeten Arbeitsgruppe am CEA Saclay, Frankreich, weiterentwickelt wurde. Diese Neu-Ordnung hat zur Folge, dass sich die Konvergenzeigenschaften entscheidend verbessern, und man quantitative Vorhersagen thermodynamischer Größen (wie z.B. des Drucks oder der Entropie) in physikalisch interessanten Bereichen machen kann. Die Interpretation der Resummation ist dabei, dass man nicht allzuweit über dem Phasenübergang Kernmaterie als Plasma von Quasiteilchen (also von Anregungen, die sich so wie Teilchen verhalten, es aber im üblichen Sinne nicht sind) beschreiben kann, mit denen die "echten" Teilchen dann wechselwirken.
| Wertet man etwa den Druck aus und vergleicht die Ergebnisse mit jenen der Gitterrechnung (welche eine völlig unabhängige Methode darstellt), so findet man, dass man zwar den Phasenübergang an sich - wie erwartet - nicht beschreiben kann, da dort die Wechselwirkung der Quarks und Gluonen einfach zu groß wird, jedoch schon bei etwas höheren Temperaturen eine bemerkenswerte Übereinstimmung festzustellen ist. |  Vergleich des Quark-Gluon-Plasma Drucks (hellgraues Band) mit den Ergebnissen der Gitterrechnung (dunkles Band, Karsch 1999). Temperatur in Einheiten der kritischen Temperatur Tc=172 MeV (1 Tc entspricht ca. 20 Milliarden Grad Celsius) |
Von besonderer Bedeutung sowohl für die Physik von ultrarelativistischen Teilchenstößen (etwa in Beschleunigern wie z.B. dem in Bau befindlichen LHC am CERN) als auch für die Astrophysik ist ein Verständnis der QCD bei endlichem chemischem Potential (hier bei gegebener Temperatur einem Maß für die Dichte des Plasmas). Ich habe mich dabei an einem Zugang orientiert, der von A.Peshier entwickelt wurde: wenn man annimmt, dass die Gitterrechnung den QCD-Phasenübergang relativ gut beschreibt, kann man mittels zweier effektiver Parameter unser Resummationsergebnis an diese Gitterdaten anpassen. Der Vorteil liegt darin, dass unser Modell dann bei beliebigem chemischem Potential ausgewertet werden kann, während dies mittels Gitterrechnung bis vor kurzem gar nicht möglich war (neuerdings gibt es allerdings sehr vielversprechende Resultate bei kleinem chemischem Potential).
| Man erhält damit dann z.B. eine Zustandsgleichung (eine Beziehung zwischen Druck und Energiedichte) für Materie bei sehr hohen Dichten und kleinen Temperaturen, die es mittels Allgemeiner Relativitätstheorie erlaubt, Vorhersagen für die Massen-Radien-Beziehung von exotischen astrophysikalischen Objekten, sogenannten Quark-Sternen, zu machen. Dies wären Sterne, die noch dichter und daher bei gleicher Masse noch kleiner sind als Neutronensterne (typischerweise 3-4km bei fast derselben Masse wie die Sonne). Hinweise, dass es solche Objekte tatsächlich geben könnte, lieferte kürzlich die Astronomie: Es wurden 2 Sterne entdeckt, die scheinbar zu klein sind, um nach den heutigen Modellen noch stabile Neutronensterne zu sein; ob es sich dabei wirklich um Quark-Sterne handelt, werden hoffentlich künftige Forschungen und Beobachtungen klären können. |  | |
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P.S.: Nachtrag für alle musikbegeisterten Leser: Das Instrument, welches sich da zu mir ins Bild gedrängt hat, ist KEINE Gitarre, sondern ein Kontrabass.
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