Entanglement, Thermalisierung und Hadronisierung für SU(N) Eichtheorien

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Schäfer
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553079183

Das Zusammenspiel von Quantenfeldtheorie, Gravitationstheorie und Quanten- Informationstheorie ist ein zunehmend aktives Forschungsfeld. Man hat gelernt, Techniken aus diesen verschiedenen Untergebieten effizient zu kombinieren, was zu schnellen Fortschritten im Verständnis vielfältiger Quantenphänomene geführt hat, von der Struktur von Grundzuständen zur Dynamik von Quantensystemen weit entfernt vom Gleichgewicht. Beispiele sind ein emergentes thermischen Verhalten von isolierten Quantensystemen, das typischerweise mit der Eigenstate Thermalization Hypothesis (ETH) erklärt wird, die Dualität zwischen Quantenfeldtheorie und Gravitation in einer höherdimensionalen Geometrie (üblicherweise als Holographie bezeichnet), bis hin zu der Erkenntnis, wie Quantenverschränkung für den Transport und die Verarbeitung von Quanten-Informationen nützlich sein kann. Unser Antrag gehört zu diesem breiten Gebiet, aber konzentriert sich auf zwei spezielle Phänomene der Kern- und Teilchenphysik die bisher nur unzureichend verstanden sind: Das erste ist die Zeitentwicklung isolierter Quantensysteme und ihre mögliche Thermalisierung. Das andere ist der Aufbruch stark angeregter und stark wechselwirkender transienter Quantensysteme in einzelne Teilchen, die später einzeln detektiert werden. Ein Prozess für den diese beiden Aspekte eine zentrale Rolle spielen, sind hochenergetische Schwerionenkollisionen (HICs, Heavy Ion Collisions). Die spezifischen Vorteile von HICs sind: HICs im Ultra-Vakuum eines Teilchen-Colliders kommen dem Ideal eines isolierten Quantensystems vermutlich so nah, wie dies maximal möglich ist. Experimente haben einen enormen Schatz an Daten gesammelt, die es erlauben, eine Vielzahl theoretischer Ideen bereits jetzt und/oder in zukünftigen Experimenten zu testen. Insbesondere sind verschiedenen Phasen von HICs, die üblicherweise statistisch beschrieben werden auf dem Quanten-Niveau noch nicht ausreichend verstanden. Die holographische Dualität zwischen Thermalisierung von HICs und der Bildung einer black brane in einem Anti-de Sitter (AdS)-Raum ist konzeptionell wohletabliert und ermöglicht die detaillierte und exakte numerische Behandlung von Starken-Kopplungs-Aspekten von Eichtheorien. Wir wollen eine Vielzahl von Aspekten untersuchen: Durch die numerischen Simulation der SU(2) Eichtheorie wollen wir den Gültigkeitsbereich von ETH etablieren und klären, ob es für SU(2) Quanten-Many-Body-Scars gibt. Teilaspekte sind dabei z.B. die Bestimmung der Thermalisierungszeit und die Klärung in wie weit man überhaupt von Thermalisierung sprechen kann. Hierbei wollen wir auch die Methoden weiterentwicklen, zum Beispiel um drei Raumdimensionen und/oder Fermionen effektiv behandeln zu können. Die holographische Beschreibung wollen wir über die Thermalisierung hinaus entwickeln und auf die Hadronisierung anwenden. Schließlich wollen wir mit Experten für Quantencomputing zu diesen Fragen zusammenarbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Berndt Müller