Physik John Bulava erforscht die Interaktionen von Elementarteilchen
Der Physiker wurde im August 2023 neu ernannt. Mit aufwendigen Computersimulationen möchte er mehr über bestimmte Elementarteilchen herausfinden, die zum Beispiel in Neutronensternen vorkommen.
Neue Einblicke in die starke Wechselwirkung, die im Inneren von Atomkernen wirkt, möchte John Bulava gewinnen. Er hat seit 1. August 2023 die Professur für Theoretische Hadronenphysik an der Ruhr-Universität Bochum inne. Mit Computersimulationen ergründet er die Interaktion zwischen verschiedenen Elementarteilchen, wie sie beispielsweise in Neutronensternen aufeinandertreffen können. „Bochum ist ein fantastischer Standort für diese Art von Forschung“, sagt der Physiker. „Hier gibt es nicht nur eine der besten Gruppen weltweit, die mit den Teilchen, die mich interessieren, arbeitet, sondern auch verschiedene theoretische Gruppen, mit denen ich kooperieren kann.“
Ein Blick auf besondere Vertreter des Teilchenzoos
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, welche wiederum aus kleineren Teilchen – den Quarks – aufgebaut sind. Es gibt sechs verschiedene Arten von Quarks. Nur zwei dieser Arten, „up“ und „down“ genannt, kommen in Protonen und Neutronen vor. „Es gibt aber auch Teilchen, die andere Quark-Arten enthalten“, erklärt Bulava. „Ich interessiere mich vor allem für Teilchen mit einem ‚strange‘-Quark. Wenn das mitmischt, können alle möglichen neuen Sachen passieren.“
Solche Teilchen mit strange-Quark, die sogenannten Hyperonen, entstehen beispielsweise in Neutronensternen, in denen viele Teilchen dicht gedrängt zusammen sind. „Hyperonen waren eine der ersten Teilchenarten, die man entdeckt hat“, weiß John Bulava. Anders als Protonen und Neutronen sind sie aber schwer experimentell zu untersuchen. „Ein Proton ist stabil. Wenn man es heute auf einen Tisch legt, bleibt es, soweit wir wissen, für immer dort“, veranschaulicht der Forscher. „Viele andere Teilchen, auch die Hyperonen, zerfallen aber im Lauf der Zeit.“ Für Experimente ist das ein Problem, für Computersimulationen nicht.
Anders als im Experiment kann Bulavas Team in den Simulationen Parameter anpassen – etwa die Kräfte aussparen, die für den Zerfall der Hyperonen sorgen, sodass diese in der Simulation so stabil wie Protonen sind. Diesen Zustand gibt es zwar nicht in der Natur, aber er erlaubt dennoch Rückschlüsse auf die Vorgänge in der realen Welt.
Solche Berechnungen müssen auf den leistungsfähigsten Rechnern der Welt stattfinden.
John Bulava
John Bulava berechnet die Interaktionen von Hyperonen, Protonen und Neutronen von Grund auf. Dabei simuliert er maximal drei Teilchen auf einmal. Das klingt wenig, aber der Aufwand ist immens: „Solche Berechnungen müssen auf den leistungsfähigsten Rechnern der Welt stattfinden, und dann kann eine einzelne Simulation immer noch ein halbes Jahr dauern“, so Bulava.
Jede Simulation erfordert also eine sorgfältige Vorbereitung. Daher schätzt John Bulava den Standort Bochum auch deswegen besonders, weil die Ruhr-Universität einen Hochleistungsrechner bekommt. Hierauf kann der Wissenschaftler Proof-of-Concept-Simulationen laufen lassen, bevor er Rechenzeit an den internationalen Superrechnern in Beschlag nimmt. So ist sichergestellt, dass die großen Simulationen am Ende reibungslos ablaufen können.
