QCD Thermodynamik mit Isospindichte und Magnetfeldern

• Antragsteller: Professor Dr. Gergely Endrödi
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 272761853

Quantenchromodynamik (QCD) ist die Theorie der starken Wechselwirkung, die beschreibt, wie Hadronen (z.B. Protonen und Neutronen) aus Quarks und Gluonen aufgebaut sind. Die QCD hat ein nicht-triviales Phasendiagramm bezüglich Temperatur und Dichte, mit mindestens zwei sehr unterschiedlichen Phasen: einer hadronischen Phase bei niedrigen Temperaturen und einer Plasma-Phase bei hohen Temperaturen, dem sogenannten Quark-Gluon Plasma. Die Eigenschaften dieser Phasen spielen eine wichtige Rolle für mehrere physikalische Systeme: die Entwicklung des frühen Universums, das Verhalten der Materie im Kern von Neutronensternen und die Beschreibung von Schwerionen-Kollisionen. Die maßgeblichen Phänomene spielen sich in diesen Fällen bei nicht-verschwindender Temperatur, Teilchendichte und/oder elektromagnetischem Hintergrundfeld ab. Nehmen diese Zustandsparameter asymptotisch hohe Werte an, darf Störungstheorie verwendet werden, um die QCD-Thermodynamik zu untersuchen. Dagegen sind im Bereich des Phasenübergangs nicht-störungstheoretische Verfahren nötig.Die optimale Methode, um QCD bei nicht-verschwindender Temperatur und nicht-verschwindendem magnetischen Hintergrundfeld zu beschreiben, ist die numerische Monte-Carlo Simulation der diskretisierten Theorie. In der Tat wurden die meisten unserer Kenntnisse über den entsprechenden Bereich des Phasendiagramms durch QCD Gittersimulationen gewonnen. Allerdings ist die Gitterimplementation bei nicht-verschwindender Dichte wegen des Problems der komplexen Wirkung (des sogenannten sign-Problems) bekannterweise schwierig. Deshalb lassen sich nur spezielle Fälle, wie z.B. nicht-verschwindende Isospindichte auf dem Gitter direkt simulieren.Das vorliegende Projekt beabsichtigt, QCD-Thermodynamik in Gegenwart von Isospindichten und magnetischen Hintergrundfeldern auf dem Gitter zu untersuchen. Ein Teil des Projekts ist der Bestimmung des QCD-Phasendiagramms für nicht-verschwindende Isospindichte gewidmet. Die relevanten Effekte dabei sind Pion-Kondensation bei niedriger Temperatur und hoher Dichte - ein wichtiges Konzept für Neutronensterne - sowie das Dasein eines kritischen Endpunkts bei mittleren Dichten - ein Phänomen hochinteressant für Schwerionen-Kollisionen. Außerdem werden neue Observablen untersucht, um das QCD Phasendiagramm bei nicht-verschindender Magnetfeldern und Isospindichte zu bestimmen. Schließlich wird eine neuartige Methode entwickelt, um den hadronischen Beitrag zum anomalen magnetischen Moment des Myons zu messen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen