Von klassischen zu Quantensimulationen der Dynamik der chiralen Anomalie

• Antragsteller: Adrien Florio, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545261797

Unsere derzeit beste, experimentell überprüfte Beschreibung der grundlegenden Eigenschaften der Natur basiert auf Quantenfeldtheorien (QFT). Der Erfolg des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik bei der Beschreibung der mikroskopischen Welt ist überwältigend. Dennoch sind uns viele Aspekte des Universums noch immer ein Rätsel, von der Zusammensetzung der dunklen Materie bis hin zum Ursprung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie (Baryogenese). Antworten können in Modifikationen des SM gesucht werden. Sie könnten aber auch in unverstandenen inneren Vorgängen gefunden werden. Ein Beispiel ist die Dynamik stark wechselwirkender Systeme. So zeigen masselose Fermionen bei geeigneter Vorbereitung die exotische Eigenschaft, spontan elektrische Ströme parallel zu Magnetfeldern zu bilden. Es wird erwartet, dass dieses Phänomen des "anomalen Transports" sowohl bei der Entwicklung des frühen Universums als auch im Quark-Gluon-Plasma, der Hochtemperaturphase der starken Kraft, eine Rolle spielt. Doch trotz dieser Bedeutung ist sein Einfluss auf die Dynamik des SM noch nicht vollständig erforscht. Ich schlage vor, diese Lücke zu schließen. Das Ziel ist ``Das Verständnis der Auswirkung von anomalem Transport auf die Dynamik von Topologie-verändernden Prozessen im SM sowie die angemessene vollständige Quantenbeschreibung der Echtzeitdynamik von Topologie-verändernden Prozessen." Um dieses Ziel zu erreichen, werde ich zwei Projekte durchführen: Projekt 1 (P1) wird hochmoderne, klassische numerische Simulationen einsetzen, um das Zusammenspiel der Dynamik der abelschen und nicht-abelschen chiralen Anomalie im "semiklassischen" Limit zu verstehen und unser Verständnis des Problems an den Rand der derzeit verfügbaren theoretischen Methoden zu bringen. In Projekt 2 (P2) werde ich mein Fachwissen über Quantensimulationen und verwandte Techniken nutzen, um die vollständige Dynamik feldtheoretischer topologischer Prozesse zu untersuchen, die in Echtzeit in 1D und 2D ablaufen. Dies entspricht dem aktuellen Stand der Wissenschaft, da die Aussicht auf effiziente Quantenberechnungen grundlegende Durchbrüche im Verständnis der Dynamik von Feldern verspricht. Ich erwarte, dass die Schnittstelle zu Quantenberechnungen besonders fruchtbar sein wird. Die Fortsetzung der Forschung in diesen beiden Richtungen wird es meiner Gruppe ermöglichen, konkrete Vorhersagen zu treffen, die für die Phänomenologie und die Dynamik des SM relevant sind und konzeptionelle Fortschritte beim Verständnis der Topologie in Echtzeit zu erzielen. Die Ergebnisse von P1 können unser Verständnis der Dynamik des frühen Universums verändern. P2 wird neue Erkenntnisse über die Echtzeit-Quantendynamik der Topologie in QFT liefern. Es kann auch zu algorithmischen Durchbrüchen bei der Quantensimulation von QFT führen und das Feld einer neuen Ära des ``Quantenvorteils'' näher bringen, in der Quantencomputer einen Netto-Effizienzgewinn gegenüber klassischen Computern bieten.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen