Neue experimentelle Beweise für die Wiederherstellung der chiralen Symmetrie bei hoher Materiedichte

14. April 2023 feature

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Von Ingrid Fadelli, Phys.org

Der QCD-Vakuumzustand (d.h. der Grundzustand des Vakuums im Regime der Quantenchromodynamik) ist theoretisch durch das Vorhandensein von Erwartungswerten von Kondensaten wie Gluonen und Quark-Antiquark-Paaren gekennzeichnet. Anstatt mit einem Mangel an Teilchen und Interaktionen in einem leeren Raum verbunden zu sein, wird dieser Zustand in der Physiktheorie als mit so genannten Kondensaten gefüllt angesehen, die dieselben Quantenzahlen wie das Vakuum haben und nicht direkt beobachtet werden können.

Während viele theoretische Physiker die Eigenschaften des QCD-Vakuums diskutiert haben, stellt die experimentelle Validierung dieser theoretischen Vorhersagen bisher eine Herausforderung dar, einfach weil die Kondensate in diesem Zustand schwer fassbar und nicht direkt nachweisbar sind. Ein Hauch von experimenteller 'Beobachtung' findet sich in den theoretischen Vorhersagen der Eigenschaften des QCD-Vakuums.

Theorien besagen, dass das Kondensat aufgrund der teilweisen Restaurierung der sogenannten chiralen Symmetrie bei hoher Temperatur und/oder bei hoher Materiedichte abnehmen kann. Um diese Theorien zu beweisen, sammelten einige Forscher Messungen bei ultrarelativistischen, frontal aufeinanderprallenden schweren Ionen bei besonders hohen Temperaturen. Andere Bemühungen in diesem Bereich versuchten, Eigenschaften des QCD-Vakuums durch Messung sogenannter 'Medium-Effekte' zu untersuchen. Diese Effekte alterieren im Wesentlichen das QCD-Vakuum und seine Struktur aufgrund der Anwesenheit von hoher Materiedichte wie Kernmaterie.

Forscher am RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, der Nara Women's University, dem deutschen Heavy Ion Research Institute und anderen Einrichtungen weltweit haben sich kürzlich darauf konzentriert, experimentelle Erkenntnisse über die Medium-Effekte in Kernen bei niedrigeren Temperaturen zu sammeln. In ihren Experimenten, die in einem Artikel von Nature Physics dargelegt sind, verwendeten sie Spektroskopietechniken, um die Zustände von Sn-pionischen Atomen zu messen, gebundene Systeme bestehend aus einem Pion und einem Atomkern.

'Die Existenz der verborgenen Struktur des Vakuums ist eine der wichtigsten physikalischen Fragen der modernen Ära', sagte Kenta Itahashi, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, zu Phys.org. 'Die 'nichttriviale' Struktur des Vakuums wurde seit langem theoretisch diskutiert. Nambu beschrieb zum Beispiel den spontanen Symmetriebruch des Vakuums. Trotz vieler verwandter Theorien war die experimentelle Evidenz in diesem Bereich bisher begrenzt.'

Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Itahashi und seinen Kollegen war es, die verborgene Struktur des QCD-Vakuums und dessen Entwicklung im Verlauf der Geschichte des Universums weiter zu erläutern. Gemäß den theoretischen Vorhersagen würde die Kondensation von Quark-Antiquark-Paaren (d. h. chirale Kondensate) in diesem Vakuumzustand die chirale Symmetrie des Vakuums brechen.

Bei hohen Temperaturen und/oder hohen Materiedichten würde die chirale Symmetrie teilweise wiederhergestellt werden, was theoretisch den erwarteten Wert der chiralen Kondensate verringern sollte. In ihren neuen Experimenten versuchte das Team, den erwarteten Wert von Quark-Antiquark-Paaren im QCD-Vakuum zu bestimmen, indem sie pionische Atome bei hoher Dichte und niedrigeren Temperaturen mit hochpräzisen Spektroskopietechniken maßen.

'Wir haben piogene nukleare gebundene Systeme spektroskopisch vermessen', erklärte Itahashi. 'Unsere Spektroskopie liefert somit ergänzende Informationen, die in Verbindung mit früheren experimentellen Erkenntnissen, die sich auf Frontalzusammenstöße fokussierten, analysiert werden können. Wie bei der Erstellung eines Phasendiagramms von Wasser oder Supraleitern wollten wir ein Phasendiagramm des Vakuums auf einer Ebene von Temperatur und Dichte zeichnen. In gewissem Sinne verhält sich Kernmaterie wie ein Verunreinigungsstoff im Vakuum.'

Die Forscher stellten fest, dass ihre Messungen mit dem spontanen Symmetriebruch des chiralen QCD-Vakuums im Einklang standen, wie er von Nambus Theorie beschrieben wurde. In Verbindung mit den Ergebnissen einer wegweisenden Studie, die sie vor fast zwei Jahrzehnten durchgeführt hatten, fördert diese Arbeit das gegenwärtige Verständnis des QCD-Vakuums, des Bruchs und der Wiederherstellung der chiralen Symmetrie sowie dessen Auswirkungen auf den erwarteten Wert chiraler Kondensate bei hohen Temperaturen und/oder hohen Materiedichten.

'As far as we know, there is currently no information on the order parameter at a high-matter density that was as accurately determined as ours,' Itahashi said. 'In our next studies, we wish to investigate the density dependence of the chiral symmetry. We already plotted the first point of the chiral order parameter on the density axis and we now plan to study the density derivative by making a systematic measurement. In addition, we also wish to develop a new pionic atom spectroscopy technique to reach higher precision and to enable the study of pionic atom formation with radioisotopes.'

Journal information: Nature Physics

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