DFG verlängert Forschungsgruppe zu eingeschlossenen Gluonen in der QCD

17.12.2025|12:12 Uhr

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat am 11. Dezember 2025 die Verlängerung der Forschungsgruppe „Zukünftige Methoden für Studien von eingeschlossenen Gluonen in der Quantenchromodynamik (QCD)“ um weitere vier Jahre bewilligt. Die zweite Förderperiode läuft von 2026 bis 2030. Die Koordination der Forschungsgruppe liegt weiterhin an der Bergischen Universität Wuppertal, Sprecher ist Prof. Dr. Francesco Knechtli.

Im Mittelpunkt der Forschungsgruppe stehen fundamentale Fragen zur starken Wechselwirkung, einer der vier Grundkräfte der Natur. Sie wird im Standardmodell der Teilchenphysik durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben. Träger dieser Kraft sind die Gluonen, Austauschteilchen, die Quarks im Inneren der Hadronen binden. Charakteristisch für die QCD ist das sogenannte „Confinement“: Quarks und Gluonen können nicht isoliert beobachtet werden, sondern treten nur in gebundenen Zuständen auf. Die physikalischen Eigenschaften eingeschlossener Gluonen sind bislang jedoch nur unzureichend verstanden.

Exotische Teilchen und Gluebälle im Fokus

Die Forschungsgruppe untersucht insbesondere Gluebälle, also Hadronen, die überwiegend aus Gluonen bestehen, sowie exotische Zustände im Charmonium-System. Charmonium besteht aus einem Charm-Quark und einem Anti-Charm-Quark. In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben große Experimente der Teilchenphysik wie BES III (Beijing Spectrometer III) in Peking, China, LHCb (Large Hadron Collider beauty) am CERN in Genf und Belle II am KEK (High Energy Accelerator Research Organization) in Tsukuba, Japan, eine Vielzahl unerwarteter schmaler Resonanzen (X-, Y- und Z-Zustände) entdeckt, deren innere Struktur bis heute nicht eindeutig geklärt ist.

Zentrale Fragen der Forschungsgruppe sind:

• Welche Rolle spielen Gluonen in exotischen Charmonium-Zuständen?
• Sagt die QCD die Existenz von Gluebällen eindeutig voraus?
• Lassen sich experimentell beobachtete Resonanzen mit theoretisch vorhergesagten Gluebällen identifizieren?

Gitter-QCD und Hochleistungsrechnen

Zur Beantwortung dieser Fragen nutzt die Forschungsgruppe die Formulierung der QCD auf dem Raum-Zeit-Gitter (Gitter-QCD). Mit Hilfe großskaliger Monte-Carlo-Simulationen werden die Eigenschaften von Hadronen berechnet. Diese Computer Simulationen sind extrem rechenintensiv und stellen hohe Anforderungen an numerische Genauigkeit und statistische Kontrolle, insbesondere bei Observablen mit eingeschlossenen Gluonen.

Ein Alleinstellungsmerkmal der Forschungsgruppe ist die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit von theoretischer Teilchenphysik und numerischer Mathematik. Ziel ist es, neue mathematisch fundierte Methoden zur Varianzreduktion, zum effizienten Monte-Carlo-Sampling und zur Lösung großer linearer Gleichungssysteme zu entwickeln und für präzise spektroskopische Berechnungen nutzbar zu machen. Diese Methoden sollen nicht nur die aktuellen Fragestellungen adressieren, sondern auch die nächste Generation von Gitter-QCD-Rechnungen vorbereiten und der internationalen Community zur Verfügung gestellt werden.

Standorte und Projekte

In der zweiten Förderperiode umfasst die Forschungsgruppe vier Standorte:

• Bergische Universität Wuppertal (Koordination)
  • Physikprojekt zu Charmonium und hybriden Zuständen
    PIs: Prof. Dr. Francesco Knechtli, Dr. Tomasz Korzec
  • Mathematikprojekt zum Monte-Carlo-Sampling von Gluonen
    PI: Prof. Dr. Michael Günther
  • Mathematikprojekt zur Berechnung von Quark-Propagatoren im Gluonenhintergrund
    PIs: Prof. Dr. Andreas Frommer, Dr. Karsten Kahl
• DESY Zeuthen
  • Physikprojekt zur Spektroskopie von Gluebällen
    PI: Dr. Stefan Schäfer
• Universität Regensburg
  • Physikprojekt zu radiativen Zerfällen von Charmonium
    PI: Prof. Dr. Sara Collins
• Trinity College Dublin (Irland)
  • Kollaborationspartner in allen Projekten
    PI: Mercator Fellow Prof. Dr. Michael Peardon

Die Forschungsgruppe leistet damit einen wichtigen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der starken Wechselwirkung und zur theoretischen Interpretation aktueller und zukünftiger Experimente der Teilchenphysik. Zugleich stärkt sie die internationale Vernetzung der beteiligten Standorte, die Verbindung von Physik und angewandter Mathematik in der Spitzenforschung und die Austauschmöglichkeiten für Nachwuchswissenschaftler*innen.
 

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Francesco Knechtli
Professor für Höchstleistungsrechnen in der Theoretischen Physik
0202-439-2630
knechtli(at)uni-wuppertal.de

DFG: FOR 5269