// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Quantensimulation zeigt die plötzliche Entstehung von Materie
Beim sogenannten String-Bruch können aus gespeicherter Feldenergie neue Teilchenpaare entstehen. Ein Experiment mit 13 gefangenen Ionen bildet diesen Prozess nun in einem vereinfachten Eichtheoriemodell nach. Dabei erschienen die simulierten Ladungspaare zuerst an den Rändern der „Strings“ und breiteten sich anschließend nach innen aus, anders als beim konventionellen Schwinger-Mechanismus.
Durham (U.S.A.). Quarks treten in der Natur nicht frei auf, sondern sind durch die starke Wechselwirkung in Hadronen wie Protonen und Neutronen gebunden. Wird ein Quark-Antiquark-Paar gedanklich immer weiter auseinandergezogen, wächst die Energie des verbindenden Farbfelds. Schließlich kann die Bildung eines neuen Teilchen-Antiteilchen-Paars energetisch günstiger werden, wodurch der ursprüngliche String zerfällt.
Die zeitliche Dynamik dieses String-Bruchs lässt sich für die Quantenchromodynamik bislang nur schwer direkt berechnen. Forscher der Duke University um Arinjoy De haben deshalb ein stark vereinfachtes, eindimensionales Z₂-Eichtheoriemodell in einem programmierbaren Quantensimulator untersucht. Der Versuchsaufbau bildet keine echten Quarks oder Gluonen nach, sondern übersetzt die relevante Dynamik in kontrollierbare Zustände einer Ionen-Kette.
Dazu nutzte das Team eine Kette aus 13 gefangenen Ionen. Zwei unabhängig steuerbare Anordnungen fokussierter Laserstrahlen erzeugten Wechselwirkungen zwischen den Ionen und ortsabhängige effektive Magnetfelder. Auf diese Weise konnten die Forscher virtuelle statische Ladungen, einen dazwischenliegenden String und dessen Spannung in einem Ising-Spinsystem nachbilden.
Zunächst untersuchten sie eine einzelne simulierte Ladung. Ohne String-Spannung breitete sie sich frei aus. Mit zunehmender Spannung blieb sie dagegen stärker lokalisiert und führte kohärente Schwingungen aus. Anschließend präparierte das Team einen String zwischen zwei statischen Ladungen und erhöhte die String-Spannung abrupt, um seine Nichtgleichgewichtsdynamik zu verfolgen.
„Die Arbeit an der Schnittstelle von Quantensimulation und Hochenergiephysik ist unglaublich spannend. Indem wir Quark-Confinement und String-Bruch-Phänomene in einer kontrollierten Laborumgebung simulieren, eröffnen wir neue Wege für experimentelle Untersuchungen des Verhaltens von Materie auf ihrer fundamentalsten Ebene“, erklärt Arinjoy De.
Die Messungen zeigen ein charakteristisches Muster. Neue simulierte Ladungspaare entstanden bevorzugt nahe den beiden Enden des Strings. Bei schwacher String-Spannung blieben sie dort in kohärenten Schwingungen gefangen. Bei höherer Spannung breiteten sich die Paare von den Rändern in das Innere des Systems aus.
Dieses Verhalten unterscheidet sich in dem untersuchten Modell vom konventionellen Schwinger-Mechanismus. Bei diesem würde die Paarbildung räumlich gleichmäßiger im Inneren einsetzen und ihre Rate deutlich von String-Spannung und Kopplungsstärke abhängen. Die beobachtete Randbildung zeigte dagegen über die untersuchten Parameter hinweg einen vergleichsweise ähnlichen zeitlichen Beginn. Numerische Rechnungen und eine störungstheoretische Beschreibung stützen die Deutung als eigenen, randbegünstigten Mechanismus des dynamischen String-Bruchs.
„Quantencomputersimulationen bieten die beste Plattform, um komplexe Fragen wie die Entstehung von Materie zu untersuchen, wenn man nicht gerade selbst den Urknall miterlebt hat. Diese Ergebnisse markieren eine deutliche Entwicklung in der Quantenwissenschaft und eröffnen uns neue Wege, die Dynamik des String-Bruchs zu verstehen“, erklärt Prof. Christopher Monroe von der Duke University.
Die Aussagekraft des Experiments hat klare Grenzen. Untersucht wurde ein eindimensionales Z₂-Eichtheoriemodell und nicht die dreidimensionale Quantenchromodynamik der starken Wechselwirkung. Auch erzeugte der Quantensimulator keine realen Quark-Antiquark-Paare. Er machte vielmehr eine analoge Dynamik in einem gezielt kontrollierten Vielteilchensystem räumlich und zeitlich sichtbar.