Baryonen und die QCD Zustandsgleichung bei hohen Dichten

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Fischer
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499523910

Die Physik der Neutronensterne hat enorme internationale Aufmerksamkeit erfahren nach der Beobachtung und Analyse von Gravitationswellen der Verschmelzung eines Doppelsternsystems von Neutronensternen benannt als GW170817. Dezidierte Experimente, so z.B. NICER auf der ISS, werden in den nächsten Jahren weitere wichtige Informationen liefern. Eine zentrale Größe für die Physik der Neutronensterne ist die Zustandsgleichung von stark wechselwirkender Materie, welche durch die Theorie der starken Wechselwirkung, QCD, beschrieben wird. Auf Theorieseite ist insbesondere der wichtige Bereich mittlerer Dichten nur ungenügend bekannt. Während bei niedrigen und (sehr) hohen Dichten chiral effektive Theorien sowie die Störungstheorie zuverlässigere Resultate liefern, sind Modellrechnungen bei mittleren Dichten mit großen Unsicherheiten behaftet. In diesem Projekt planen wir, die EOS bei niedrigen, mittleren und hohen Dichten in ein und demselben QCD-basierten Zugang zu bestimmen und dadurch vor Allem bei mittleren Dichten zuverlässige Resultate bereit zu stellen. Unsere Methodik beruht auf einem Zugang zur QCD über Dyson-Schwinger und Bethe-Salpeter Gleichungen, welcher in meiner Gruppe bereits erfolgreich für die Physik des QCD-Phasendiagramms, die Physik der Hadronen im Medium und die Physik der Baryonspektren fruchtbar gemacht wurde. Auf Basis dieser umfangreichen Expertise planen wir insbesondere den Bereich mittlerer Dichten zu berechnen und dabei potentielle Phasenübergänge von der hadronischen in eine farbsupraleitende Quark-Phase zu berücksichtigen. Die entscheidenden Freiheitsgrade für thermodynamische Größen sind hierbei die Fermionen, d.h. die Baryonen und die Quarks. In der hadronischen Phase werden wir die Massen und Wellenfunktionen von Baryonen bestimmen und ihre Effekte bei der Berechnung der Zustandsgleichung berücksichtigen. Wir verfolgen ihre Eigenschaften in die Koexistenzphase eines möglichen Phasenübergangs erster Ordnung hinein sowie in die angrenzende farbsupraleitende Region des QCD-Phasendiagrams. Hier erwarten wir, dass die Quarkfreiheitsgrade die Zustandsgleichung dominieren. Den korrekten perturbativen Grenzfall des Zugangs bei extrem hohen Dichten wurde in früheren Arbeiten bereits überprüft. Im Erfolgsfall werden wir signifikante qualitative und quantitative Verbesserungen bisheriger Zugänge zur EOS verbuchen mit nicht zu überschätzendem Impakt in zwei sehr aktuellen Forschungsfeldern, der Physik der Neutronensterne und der Physik von Schwerionenstößen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen