Hintergrund

Teilchenphysik auf dem Schachbrett

Mit Supercomputern ins Innerste der Materie geschaut / Durcheinander der Kräfte

Von Rainer Scharf

Das Erscheinungsbild der Elementarteilchenphysik in der Öffentlichkeit wird vor allem von den kilometergroßen Teilchenbeschleunigern beherrscht, wie man sie zum Beispiel am Desy in Hamburg oder am Cern bei Genf findet. Weniger bekannt ist, daß die Teilchenphysiker die weltweit leistungsfähigsten Computer dafür benötigen, die in den Beschleunigern beobachteten Teilchenkollisionen gewissermaßen nachspielen und dadurch besser verstehen zu können. Diese Teilchenphysik mit dem Computer, die auf den Gesetzen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik beruht, hat fundamentale Einsichten gebracht und zugleich die Entwicklung der Supercomputer vorangetrieben. Auf dem Kongreß "Lattice 2001" an der Berliner Humboldt-Universität haben kürzlich Teilchenphysiker aus aller Welt diskutiert, wie sie die Genauigkeit ihrer Berechnungen so weit verbessern können, daß mögliche Diskrepanzen zwischen den Vorhersagen des Standardmodells und den Ergebnissen von Experimenten an Beschleunigern zutage treten.

Mit den Beschleunigern hat man in den vergangenen Jahrzehnten zahllose Elementarteilchen entdeckt und die Struktur der Kernbausteine aufgeklärt. So haben die Forscher herausgefunden, daß die Protonen und Neutronen jeweils drei punktförmige Quarks enthalten, die durch Gluonen aneinandergebunden werden. Die sogenannte Quantenchromodynamik ermöglicht es, die dabei zwischen den Quarks auftretenden Kräfte zu berechnen. Wenn während einer Teilchenkollision zwei Quarks einander sehr nahe kommen, dann kann sich zwischen ihnen nur eine überschaubare Zahl von Gluonen aufhalten. Die sich ergebenden Kräfte zwischen den Quarks sind dann vergleichsweise einfach strukturiert und lassen sich gewissermaßen noch mit Bleistift und Papier berechnen. Vergrößert sich aber der Abstand zwischen den beiden Quarks, so entstehen mehr und mehr Gluonen sowie weitere Quarks, die wiederum neue Gluonen und Quarks erzeugen können. Alle diese Teilchen üben ihrerseits Kräfte aufeinander aus und bilden ein unüberschaubares Durcheinander, das sich einer detaillierten Beschreibung entzieht. Die Kräfte zwischen den beiden ursprünglichen Quarks werden dadurch so kompliziert, daß man sie mit herkömmlichen Mitteln nicht mehr berechnen kann.

Die Ergebnisse der Experimente an den Beschleunigern bestätigen das mit der Quantenchromodynamik gewonnene Bild, wie Siegfried Bethke vom Max-Planck-Institut für Physik in Garching berichtete. Es zeigte sich zum Beispiel bei heftigen Zusammenstößen von Protonen mit Elektronen, daß die Quarks in den Protonen nur einen Teil der Bewegungsenergie trugen. Der Rest entfiel auf die Gluonen. Unmittelbar nach der Kollision bewegten sich die einzelnen Quarks noch auf berechenbaren Bahnen. Doch sobald sie sich hinreichend weit voneinander entfernt hatten, wurde das Geschehen kompliziert, und es entstanden zusätzliche Quarks. Jeweils zwei oder drei Quarks verbanden sich dann in zufälliger Weise miteinander zu neuen Teilchen, die in unvorhersehbarer Richtung davonflogen. Einzelne, isolierte Quarks hat man dabei übrigens noch nie beobachtet. Dieses als Confinement bezeichnete Phänomen konnte man zunächst mit der Quantenchromodynamik nur anschaulich erklären, aber nicht zwingend herleiten.

Da die exakten Berechnungen versagten, schlug der spätere Physiknobelpreisträger Kenneth Wilson Anfang der siebziger Jahre vor, das Durcheinander von Quarks und Gluonen dadurch zu zähmen, daß man ihre Bewegungen im Modell einschränkt. Dazu werden Raum und Zeit durch ein vierdimensionales Gitter ersetzt: Die Teilchen bewegen sich gleichsam auf einem Schachbrett, während die Zeit schrittweise statt kontinuierlich vergeht. Damit das reale Geschehen, das im vierdimensionalen Raumzeitkontinuum abläuft, auch bei Einschränkung auf das Gitter möglichst realistisch wiedergegeben wird, macht man das Gitter so engmaschig wie möglich. Im Rahmen dieser "Gitterquantenchromodynamik" werden dann aus allen physikalisch möglichen Anordnungen von Quarks und Gluonen auf dem Gitter diejenigen Konfigurationen "ausgewürfelt", die für den untersuchten Vorgang die größte Bedeutung haben. Für jede dieser Konfigurationen berechnet man die interessierende physikalische Größe und bildet ihren Mittelwert, den man schließlich mit den Ergebnissen der Beschleunigerexperimente vergleichen kann.

Einer der Pioniere der Gitterquantenchromodynamik - Claudio Rebbi von der Boston University in Massachusetts - erinnerte daran, daß vor 20 Jahren niemand so recht an den Erfolg dieses Verfahrens geglaubt hat. Mit den damaligen Computern ließen sich noch keine stichhaltigen Ergebnisse erzielen. Doch inzwischen hat sich dies grundlegend geändert: Heute stehen Supercomputer zur Verfügung, die mehr als eine Billion Rechenschritte (1 Teraflop) in der Sekunde ausführen können. Die Berechnungen zeigen nun zweifelsfrei, daß die Quarks tatsächlich nicht einzeln auftreten können, also dem Confinement unterliegen. Versucht man etwa, zwei Quarks gewaltsam voneinander zu trennen, so entstehen zwischen ihnen neue Quarks, die sich mit ihnen zu Paaren oder Trios verbinden.

Die berechneten Elementarteilchenmassen weichen indes noch von den im Experiment beobachteten Massen um einige Prozent ab. Das liegt nicht daran, daß man bei den Berechnungen das Raumzeitkontinuum durch ein Gitter ersetzt hat. Die benutzten Gitter sind feinmaschig genug und decken ein ausreichend großes Gebiet ab, um das Geschehen im Innern eines Elementarteilchens detailliert erfassen zu können. Die Ungenauigkeit hat einen anderen Grund. Zwischen den Quarks und Gluonen im Innern eines Elementarteilchens entstehen laufend zusätzliche Quarks und Gluonen, die nach kurzer Zeit wieder vergehen. Die zusätzlichen Quarks, die die Masse eines Elementarteilchens merklich verändern, mußten die Physiker außer acht lassen. Andernfalls hätten die Berechnungen etwa hundertmal so lange gedauert.

Um die Massen der Elementarteilchen auf weniger als ein Prozent genau berechnen zu können, werden Computer benötigt, die etwa hundert Teraflop in der Sekunde erreichen. An der Entwicklung solch gigantischer Superrechner arbeiten weltweit unter anderem auch zahlreiche Elementarteilchenphysiker. Während die Physiker in Japan eng mit dem Supercomputerhersteller Hitachi kooperieren, bauen verschiedene Arbeitsgruppen in Europa mit selbstentwickelten, optimierten Prozessoren ihre eignen Rechner. Dadurch hoffen sie, Kosten zu sparen. So arbeiten das Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Rom, eine Abteilung des Desy und das John von Neumann Institute for Computing (NIC), beide in Zeuthen/Brandenburg, an der Verbesserung des Höchstleistungsrechners Apemille, berichtete Karl Jansen vom NIC. Die an neun verschiedenen Orten in Europa stehenden Apemille-Rechner erreichten kürzlich eine Gesamtleistung von zwei Teraflop. Ebensoviel soll eine einzelne Maschine des Nachfolgemodells Apenext schaffen, die derzeit entwickelt wird. Ähnlich leistungsfähige Maschinen werden derzeit auch in Großbritannien und in den Vereinigten Staaten gebaut. Am Forschungszentrum Cern bei Genf hofft man, noch preisgünstigere Superrechner schaffen zu können, indem man handelsübliche Computerchips von hoher Leistung zu riesigen Clustern zusammenschaltet. Doch schiere Rechenleistung allein wird nicht ausreichen, die Rätsel der subatomaren Welt auf dem Computer zu lösen. Tiefere Einsichten in die Theorie und verbesserte Rechenverfahren sind genauso wichtig. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 05.09.2001, Nr. 206 / Seite N1

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