Victor Hesspreis 2011 geht an Markus Huber

2011-06-16 Daniel Grumiller

Der Victor Hesspreis 2011 des Fachausschusses Kern- und Teilchenphysik der österreichischen physikalischen Gesellschaft geht heuer an Markus Huber für seine Doktorarbeit "On gauge fixing aspects of the infrared behavior of Yang-Mills Green functions" bei Reinhard Alkofer in Graz. Hier ist eine kurze Zusammenfassung seiner Arbeit.

Alle uns bekannten Naturphänomene lassen sich durch vier fundamentale Kräfte erklären. Zwei dieser Grundkräfte dominieren unser Alltagsleben: Die Gravitation hält uns im wahrsten Sinne des Wortes am Boden, die elektromagnetische Kraft hält die Atome zusammen. Diese beiden Kräfte sind langreichweitig, wir kennen jedoch zwei weitere fundamentale Wechselwirkungen, die sehr kurzreichweitig sind: Die Schwache und die Starke Kraft haben beide eine Reichweite von nur etwa einem Femtometer, dem billionsten Teil eines Millimeters. Dr. Markus Huber hat sich in seiner Dissertation mit der Starken Wechselwirkung beschäftigt. Nur ein Teil der uns bekannten Elementarteilchen, die sogenannten Hadronen, unterliegen der Starken Wechselwirkung. Die bekanntesten Vertreter der Hadronen sind die Bausteine der Atomkerne, die Protonen und Neutronen. Mittlerweile kennen wir aber viele weitere solcher Hadronen. Ihnen gemeinsam ist, das einerseits nicht weiter zerlegbar sind, aber andererseits eine innere Struktur besitzen. Beschiesst man sie in einem Streuexperiment mit hochenergetischen (anderen) Elementarteilchen, so sieht es so aus, als ob die Hadronen aus punktförmigen Teilchen, den sogenannten Quarks, bestehen. Nichtdestotrotz lassen sich die Hadronen nicht in ihre Bestandteile zerlegen. Jeder Versuch, ein Quark aus einem Hadron herauszuschiessen, führt zur Erzeugung von mehr Hadronen. Noch nie hat jemand ein ein einzelnes freies Quark beobachtet. Diesen permanenten Einschluss von Quarks nennt man Confinement. Obwohl wir über eine Theorie der Starken Wechselwirkung, die sogenannte Quantenchromodynamik (QCD), verfügen, hat es bis jetzt noch niemand geschafft, dieses Phänomen des Confinements aus der Theorie abzuleiten. Dieses Problem wird von Physikern und Mathematikern als so wichtig erachtet, dass es vom Clay Mathematics Institute als eines der sieben Milleniumsprobleme formuliert wurde. In der QCD wechselwirken die Quarks mit Hilfe sogenannter Gluonen. Der Name ist aus dem englischen Wort `glue` für Kleber abgeleitet und beschreibt deren Rolle ziemlich präzise. Eine Möglichkeit, das Phänomen des Confinements zu studieren, besteht in der Berechnung von Korrelationsfunktionen, die im Prinzip alle Aspekte der Wechselwirkung von Gluonen untereinander und Gluonen mit Quarks beschreiben. Was allerdings bisher den Fortschritt in der Untersuchung dieser Korrelationsfunktionen so stark beschränkt hat, ist die enorm hohe Komplexität der zugrundeliegenden Gleichungen, die man allgemein Funktionale Gleichungen nennt. Beispiele für Systeme von Funktionalen Gleichungen sind die Dyson-Schwinger-Gleichungen (deren Grundstruktur schon seit Jahrzehnten bekannt ist) oder die Exakten Renormierungsgruppengleichungen, die in den letzten Jahren entwickelt hat. Da das Confinement sich auf alle Korrelationen zwischen Gluonen und Quarks bezieht, müsste man im Prinzip das gesamte System, also unendlich viele gekoppelte Gleichungen auf einmal, lösen. Vor der Dissertation von Dr. Huber war bereits bekannt, dass man in einem bestimmten Bereich, nämlich bei niedrigen Energien, die Lösung für den gesamten Satz an Gleichungen zumindest qualitativ beschreiben kann. Dies ist sehr interessant, da das Verständnis des qualitativen Verhaltens der Korrelationsfunktionen bei niedrigen Energien bereits ausreicht, um etwas über den Mechanismus, der für Confinement verantwortlich ist, zu lernen. Dr. Huber konnte in zwei wichtigen Aspekte wesentliche Forschritte erzielen. Einerseits entwickelte er ein Programmpaket, mit dessen Hilfe die gewünschten Gleichungen von einem Computer mittels eines Computeralgebrasystems abgeleitet werden. Dies ist insbesondere wichtig, da sehr viele Schlüsse erst durch Verwendung mehrerer verschiedener äquivalenter Gleichungssysteme möglich werden. Eine Ableitung dieser Gleichungen von Hand würde Monate, wenn nicht Jahre dauern, mit Hilfe des Computers lässt sich das oft in wenigen Tagen bewerkstellen. Andererseits war es Herrn Huber möglich, solche Gleichungssysteme für Umformulierungen der QCD abzuleiten und zu untersuchen, die auf noch komplexere Gleichungssysteme führen als die bisher untersuchte relativ einfachste Formulierung der QCD. Mit Hilfe der Ergebnisse von Herrn Huber war es dann möglich, ein bereits bestehendes phänomenologisches Confinement-Szenario mit exakten Ergebnissen zu untermauern.


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