An der Studie beteiligt waren von der Bergischen Universität Wuppertal Dr. Roman Höllwieser, Prof. Dr. Francesco Knechtli und Dr. Tomasz Korzec von der Arbeitsgruppe für Höchstleistungsrechnen in der Theoretischen Physik.

Eine fundamentale Kraft der Natur

Die starke Kernkraft gehört neben Gravitation, Elektromagnetismus und der schwachen Kernkraft zu den vier grundlegenden Wechselwirkungen der Natur. Sie hält Atomkerne zusammen und bestimmt maßgeblich die Eigenschaften von Protonen und Neutronen. Zudem spielt sie eine zentrale Rolle bei Streuexperimenten, wie bei Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider in Genf. 

Auf elementarer Ebene wirkt die starke Kernkraft zwischen Quarks, den kleinsten bekannten Bausteinen der Materie. Vermittelt wird die Wechselwirkung durch Gluonen, Teilchen, die die Kraft zwischen Quarks übertragen. Quarks treten jedoch nie isoliert auf, sondern nur in gebundenen Zuständen, den sogenannten Hadronen (z.B. Protonen und Neutronen).

Die zugrunde liegende Theorie ist die Quantenchromodynamik (QCD). Eine zentrale Größe ist die starke Kopplungskonstante (αₛ), die angibt, wie stark Quarks und Gluonen miteinander wechselwirken. Ihre präzise Bestimmung ist eine große Herausforderung, da Quarks experimentell nicht direkt beobachtbar sind, sondern stets gebunden auftreten, ein Phänomen, das als „Confinement“ (Einschluss) bezeichnet wird. 

Simulation der Quantenwelt auf Supercomputern

Zur Bestimmung der starken Kopplung nutzte das Forschungsteam groß angelegte Computersimulationen der Quantenchromodynamik auf einem Raum-Zeit-Gitter (Lattice QCD). Dabei wird die Raum-Zeit in ein feines Gitter unterteilt, auf dem die Wechselwirkungen von Quarks und Gluonen numerisch berechnet werden können.

„Da wir Quarks nicht isoliert beobachten können, müssen wir die starke Wechselwirkung indirekt über gebundene Zustände erschließen. Dafür sind hochpräzise numerische Simulationen unverzichtbar“, erklärt Prof. Dr. Francesco Knechtli.

Eine besondere Herausforderung besteht darin, dass die Stärke der Wechselwirkung stark von der Energie abhängt und sich über viele Größenordnungen der Energieskala hinweg verändert. Die entwickelte Methode ermöglicht es, diese unterschiedlichen Skalen erstmals konsistent miteinander zu verknüpfen.

Präzisionsphysik für zukünftige Experimente

Es ist gelungen, die starke Kopplung über einen weiten Energiebereich hinweg präzise zu bestimmen und damit die Physik von Hadronen bei niedrigen Energien mit den hochenergetischen Prozessen zu verbinden.

„Unsere Berechnung schlägt eine Brücke zwischen sehr unterschiedlichen Energiebereichen – von niedrigen, typisch hadronischen Energien bis hin zu Energien, wie sie in Teilchenbeschleunigern erreicht werden“, sagt Dr. Tomasz Korzec.

Diese höhere Präzision verbessert die theoretischen Vorhersagen für Experimente an großen Teilchenbeschleunigern und erhöht die Chancen, bislang unbekannte physikalische Effekte zu entdecken. Zudem leisten die Ergebnisse einen Beitrag zu grundlegenden Fragen der Physik, etwa zur Stabilität des Vakuums und damit zur langfristigen Entwicklung unseres Universums.

Internationale Zusammenarbeit

Die Arbeit entstand im Rahmen der internationalen ALPHA-Kollaboration, die sich seit vielen Jahren der präzisen Bestimmung fundamentaler Parameter der Quantenchromodynamik widmet.

„Diese Ergebnisse sind das Resultat einer jahrzehntelangen methodischen Entwicklung und internationaler Zusammenarbeit“, betont Knechtli. „Erst durch neue theoretische Methoden und die enorme Entwicklung der verfügbaren Rechenleistung konnte diese Präzision erreicht werden.“

Mit der Veröffentlichung im renommierten Journal „Nature“ erhält die Forschung internationale Aufmerksamkeit und unterstreicht die Bedeutung der theoretischen Physik und des wissenschaftlichen Hochleistungsrechnens an der Bergischen Universität Wuppertal.

Publikation
Mattia Dalla Brida, Roman Höllwieser, Francesco Knechtli, Tomasz Korzec, Alberto Ramos, Stefan Sint, Rainer Sommer
High-precision calculation of the quark–gluon coupling from lattice QCD
Nature 652, 328–334 (2026)
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10339-4 

Kontakt
Prof. Dr. Francesco Knechtli
0202-439-2630
knechtli(at)uni-wuppertal.de

Dr. Tomasz Korzec
0202-439-2612
korzec(at)uni-wuppertal.de