Understanding helicity structure and the out-of-equilibrium dynamics of anomalies in high-energy QCD
Final Report Abstract
Mein Forschungsprojekt befasst sich mit der nicht-Gleichgewichtsdynamik von anomalen und topologischen Phänomen in der Hochenergiephysik, bspw. in ultra- relativistischen Schwerionenkollisionen, aber auch in astrophysikalischen Systemen wie Neutronensternen und Supernovae oder dem primordialen Plasmas des frühen Universums. Quantitative Beschreibungen solcher Quantensysteme fernab des thermischen Gleichgewichts sind außerordentlich schwierig. In diesem Zusammenhang wurden chirale Plasmainstabiltäten und chirale Turbulenz in der Quanten- Elektrodynamik (der Quantentheorie der Elektrodynamik, d.h. von Licht, Atomen u.a.) untersucht. Diese Phänomene gelten als mögliche Mechanismen der Erzeugung makroskopischer Magnetfelder im frühen Universum. Des Weiteren wurden mittels der sog. Weltlinien Formulierung der Quantenfeldtheorie die Nichterhaltung fermionischer Chiralität im Hintergrund von topologischen Eichfeldern in effektiven kinetischen Theorien beschrieben. Ein weiterer wichtiger Schwerpunkt dieses Forschungsprojekts ist die Untersuchung der Struktur von Protonen und Atomkernen bei hohen Energien, welche am zukünftigen Elektronen-Ion-Collider (EIC) im Experiment getestet werden können. Im Grenzwert hoher Energien gelang uns quantitative Berechnung sog. Wigner-Distributionen von Protonen und Atomkernen in der sogenannten Color Glass Condensate effektiven Theorie, und die Vorhersage von experimentellen Wirkungsquerschnitten. Die große wissenschaftliche Unabhängigkeit durch das Forschungsstipendium ermöglichte es mir, eine völlig neue Forschungsrichtung einzuschlagen. In den vergangenen zwei Jahren beschäftigte ich mit der Frage, wie das noch junge Feld der Quanteninformationstechnologie dazu beitragen kann, schwierige Probleme in der Kern- und Hochenergiephysik, bspw. durch Berechnung auf Quanten- Computern oder Simulation mittels analoger Quantensimulatoren zu lösen. Motiviert durch das CP-Problem in der Theorie der starken Wechselwirkung (QCD) und meinen Erfahrungen mit der Echtzeitdynamik von anomalen Phänomenen, habe ich mich mit Nicht-Gleichgewichtsphänomenen im massiven Schwingermodel mit Theta-Term in 1+1 Raumzeitdimensionen befasst. In diesem Zusammenhang entdeckten wir einen zuvor unbekannten dynamischen topologischen Quantenphasenübergang. Die Offenlegung dieses Phänomens kann als robustes und realistisches Ziel für bereits existierende Quantencomputer und -simulatoren dienen. Ein weiterer Schwerpunkt meiner Forschung ist die Anwendung von Quantentechnologie für die ab initio Berechnung der Struktur von Protonen und Nukleonen, um Vorhersagen für Hochenergieexperimente treffen zu können. In diesem Zusammenhang entwickelten wir eine Strategie, die es erlaubt Streuprozesse in Teilchenphysikexperimente mittels digitaler Quantencomputer effizient zu simulieren.
Publications
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(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevD.99.074004) - “Dynamical Topological Transitions in the Massive Schwinger Model with a theta term”, Phys. Rev. Lett 122 (2019) 5, 050403
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(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.112301) - “Non-cancelation of the parity anomaly in the strong field regime of QED2+1”, Phys. Lett. B 805 (2020) 135459
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Phys. Lett. B 802 (2020) 135211
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