Anton Rebhan wird für seine Forschungsleistungen im Bereich der theoretischen Kern- und Teilchenphysik, insbesondere für die Entwicklung neuer Methoden in der Quantenchromodynamik (QCD), ausgezeichnet.

Quantenchromodynamik bezeichnet die fundamentale Theorie, die der starken Kernkraft zugrunde liegt. Die enormen Kräfte zwischen Protonen und Neutronen in einem Atomkern werden auf die Wechselwirkungen von Quarks und Gluonen zurückgeführt – sie sind die elementaren Bestandteile der Kernteilchen, können selbst aber nicht direkt beobachtet werden.

Neben elektrischer Ladung besitzen Quarks eine weitere wichtige Eigenschaft – die sogenannte „Farbladung“. Im Gegensatz zur elektrischen Ladung tritt diese in drei Varianten auf, die in der Physik „Rot“, „Grün“ und „Blau“ genannt werden – eine Metapher für die Tatsache, dass ihre physikalisch beobachtbaren Bindungszustände immer “farblos” sind, analog zum farblosen Weiß, das sich durch additive Mischung der drei Grundfarben ergibt. Gluonen sind Elementarteilchen, durch die die Kräfte zwischen den Quarks vermittelt werden – so wie Photonen die elektromagnetische Wechselwirkung vermitteln. Anstelle des universellen und elektrisch neutralen Photons gibt es allerdings acht Gluonen mit unterschiedlichen Kombinationen von Farbladungen. Im Gegensatz zu Photonen können sie deshalb auch untereinander wechselwirken und sogar Bindungszustände bilden, die nur aus Gluonen bestehen – sogenannte Gluebälle. Die QCD ist zwar als fundamentale Theorie unumstritten etabliert, sie kann aber nur in speziellen Fällen, etwa bei Beschleunigerexperimenten mit extrem hohen Energien, mit herkömmlichen Methoden der theoretischen Physik quantitativ berechnet werden.

Anfang der 2000er Jahre eröffnete sich eine neue Möglichkeit, QCD experimentell zu studieren: In Teilchenbeschleunigern kann man schwere Ionen miteinander kollidieren lassen, die aus einer großen Anzahl von Kernteilchen bestehen. Dabei entsteht bei hinreichend hoher Energie kurzzeitig ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma – ein extrem heißer und dichter Materiezustand, der während der ersten zehn Mikrosekunden nach dem Urknall das gesamte Universum ausfüllte. Man vermutet, dass ein ähnlicher Materiezustand auch jetzt noch im Inneren von besonders massereichen Neutronensternen vorkommt, mit möglichen Auswirkungen auf das Verhalten kollidierender Neutronensterne, die inzwischen über Gravitationswellen beobachtet werden können. Allerdings zeigt sich: Herkömmliche Rechenmethoden versagen in solchen Fällen völlig.

Anton Rebhan hat zur theoretischen Beschreibung von Quark-Gluon-Plasma Pionierarbeit geleistet und Methoden zur analytischen Beschreibung seiner thermodynamischen Eigenschaften entwickelt, die von den beiden Extremfällen sehr kleiner und sehr großer Wechselwirkungsstärke ausgehen. Sogar im ersten Fall müssen herkömmliche Rechnungen grundlegend reorganisiert werden; im zweiten Fall kann dagegen die Quantenfeldtheorie auf eine klassische aber höherdimensionale Gravitationstheorie abgebildet und dadurch ebenfalls näherungsweise gelöst werden.

Man bringt dabei eine stark wechselwirkende Theorie wie die QCD mit einer schwach wechselwirkenden höherdimensionalen Theorie in Verbindung. Rechenergebnisse aus der einen Theorie können in Rechenergebnisse der anderen Theorie „übersetzt“ werden. Viele Aufgaben sind in einer der Theorien wesentlich einfacher zu lösen als in der anderen – somit wurde diese Technik, die als „Holographie“ bezeichnet wird, zu einem wichtigen Werkzeug der Hochenergiephysik.

Auf diese Weise konnte Rebhan mit seiner Arbeitsgruppe an der TU Wien in den letzten zehn Jahren neben der Beschreibung des Quark-Gluon-Plasmas auch bedeutende neue Erkenntnisse in der Physik der vielfältigen Bindungszustände von Quarks und Gluonen gewinnen.

In Experimenten mit Teilchenbeschleunigern wurden bislang Hunderte dieser sogenannten Hadronen entdeckt und studiert – fast alle extrem kurzlebig. Die Frage, ob auch Gluebälle identifiziert werden können, also Teilchen, die aus reiner Kernkraft bestehen, blieb allerdings weitgehend offen. Hier konnten mit Hilfe der holographischen QCD detaillierte Vorhersagen ihrer Zerfälle in andere Elementarteilchen berechnet werden. Insbesondere die Zerfälle in zwei Photonen stellten sich als interessant heraus, sowohl bei den Gluebällen als auch bei den besser bekannten Hadronen.

Das genaue Zusammenspiel von starker Kernkraft und elektromagnetischer Wechselwirkung erhielt in der letzten Zeit auch für eine andere Fragestellung eine entscheidende Bedeutung – für einen der härtesten Tests, dem das Standardmodell der Teilchenphysik bis heute ausgesetzt wurde: Am Fermilab bei Chicago wurde von 2018 bis 2025 das magnetische Moment von Myonen mit einer Genauigkeit von schließlich 10 Dezimalstellen vermessen. Dieses Ergebnis kann man nun mit theoretischen Vorhersagen vergleichen – doch sie sind zwangsläufig mit einer gewissen rechnerischen Ungenauigkeit behaftet.

Diese Unsicherheiten stammen fast ausschließlich von den winzigen Beiträgen der Hadronen zu den elektromagnetischen Quantenfluktuationen, die die magnetischen Eigenschaften der Myonen beeinflussen. Die Resultate, die von Rebhan und seinen Mitarbeitern über die holographische QCD erzielt wurden, führten auch dazu, dass er 2023 eingeladen wurde, als einer der Koordinatoren der internationalen Muon g-2 Theory Initiative zu fungieren, die als weltweites Konsortium von über hundert theoretischen Teilchenphysikern die theoretische Seite des Experiments abdeckt.

Präzise zu bestimmen, wie exakt Theorie und Experiment hier übereinstimmen, ist deshalb von enormer Bedeutung für die Teilchenphysik, weil es eine besonders starke Einschränkung für mögliche Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik liefert, mit denen offene Fragen wie die Natur der Dunklen Materie beantwortet werden könnten.

Anton Rebhan, geboren 1960 in Gaspoltshofen, Oberösterreich, wurde 2008 zum Universitätsprofessor für Theoretische Physik an der TU Wien berufen. Er promovierte 1988 bei Wolfgang Kummer am Institut für Theoretische Physik der TU Wien, wo er sich 1992 habilitierte. Er war 1990-1992 Fellow in der Theory Division des CERN in Genf, danach Postdoctoral Researcher am LAPP in Annecy-le-Vieux (Frankreich) und am Deutschen Elektronensynchroton DESY in Hamburg sowie Lehrstuhlvertreter an der Universität Bielefeld. Für seine wissenschaftlichen Leistungen erhielt er den Viktor-Franz-Hess-Preis der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft und den Erich-Schmid-Preis der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, die ihn 2011 zum korrespondierenden Mitglied ernannte. Von 2014 bis 2023 leitete er das gemeinsam von der TU Wien, der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften durchgeführte FWF-Doktorandenprogramm Particles & Interactions mit über 60 Doktorand:innen.