Neue Ansätze in der nicht-perturbativen Physik schwerer Quarks

• Antragsteller: Dr. Simon Kuberski
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559290516

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik ist äußerst erfolgreich in der Beschreibung der fundamentalen Teilchen und ihrer Wechselwirkungen. Dennoch bleiben einige Phänomene unerklärt, darunter Dunkle Materie, das Materie-Antimaterie-Asymmetrieproblem und der Ursprung der Neutrinomassen. Diese offenen Fragen treiben die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells an. Im Sektor der Bottomquarks sind mehrere Abweichungen von den SM-Vorhersagen aufgetreten, was die Hoffnung aufkommen lässt, neue Physik durch präzise Vergleiche zwischen experimentellen Ergebnissen und theoretischen Vorhersagen zu identifizieren. Dazu gehören langanhaltende Spannungen zwischen inklusiven und exklusiven Bestimmungen der CKM-Matrixelemente sowie Tests der Leptonen-Universalität in Zerfällen von Bottomhadronen. Ein zentrales Ziel dieses Projekts ist es, präzise Gitter-QCD-Beiträge zu liefern, um diese Spannungen aufzuklären. Die Gitter-QCD bietet ein leistungsstarkes, nicht-perturbatives Rahmenwerk zur ab initio Berechnung hadronischer Observablen und spielt eine zentrale Rolle in der Physik schwerer Quarks. Die Simulation von Bottomquarks stellt jedoch aufgrund ihrer höheren Masse eine Herausforderung dar. Insbesondere werden Cutoffeffekte, also Abweichungen von der Kontinuumstheorie, signifikant, da die Masse des Bottomquarks im Vergleich zur inversen Gitterabstand auf den meisten großvolumigen Gitterensembles groß ist. Aktuelle Methoden stützen sich oft auf Extrapolationen zur Bottom-Skala, was zu großen Unsicherheiten durch Cutoffeffekte und die Quarkmassenextrapolation führen kann. Dieses Projekt zielt darauf ab, diese Herausforderungen durch den Step-Scaling-Ansatz anzugehen, der die traditionelle Quarkmassenextrapolation durch eine Interpolation zwischen relativistischen schweren Quarks und dem statischen Limes der Heavy-Quark-Effektiven Theorie ersetzt. Diese Methode reduziert die systematischen Unsicherheiten der Extrapolationen zur B-Mesonen-Skala und zum Kontinuumslimes signifikant. Durch die Kombination von großvolumigen Simulationen mit einer dedizierten Reihe von kleinvolumigen Simulationen, in denen Bottom-Quarks auf feineren Gitterabständen präzise behandelt werden können, bietet dieser Ansatz eine bessere Kontrolle auf der B-Skala. Zusätzlich zum Step-Scaling-Ansatz wird das Projekt fortschrittliche Rauschunterdrückungstechniken entwickeln, um eine präzisere Bestimmung der Grundzustands-Matrixelemente zu erreichen, was die Zuverlässigkeit wichtiger Observablen weiter verbessert. Durch die Erreichung beispielloser Präzision bei Bottomquarkobservablen und die Reduzierung systematischer Unsicherheiten wird dieses Projekt entscheidende theoretische Eingaben zur Interpretation experimenteller Ergebnisse bei LHCb, Belle II und anderen Experimenten liefern. Die verbesserte Präzision wird unser Verständnis der Physik schwerer Quarks vertiefen und könnte dabei helfen, Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells zu entdecken.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen