"Ursuppe" offenbart Geheimnisse des frühen Universums
Die Herzen der Atome, welche die übliche Materie ausmachen, bestehen aus Protonen und Neutronen. Diese subatomaren Teilchen wiederum bestehen aus Quarks, die durch Teilchen mit der treffenden Bezeichnung Gluonen aneinandergeklebt sind. Kurz nach dem Urknall war das Universum jedoch heiß genug, um die Quarks getrennt zu halten. Resultat dürfte ein dichter Mix aus Quarks und Gluonen, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma, gewesen sein. Um Bedingungen ähnlich jenen zu schaffen, die wenige millionstel Sekunden nach dem Urknall herrschten, unternimmt man am Großen Hadronen-Speicherring (Large Hadron Collider, LHC) in Europa und am Beschleunigerring für relativistische Schwerionen (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) in den Vereinigten Staaten Versuche mit Frontalkollisionen zwischen Schwerionen. Durch Analyse der nach jeder Kollision übrigbleibenden Trümmer konnten EU-finanzierte Forscher wertvolle Erkenntnisse über das Quark-Gluon-Plasma gewinnen. Dem Endzustand der Trümmer konnte man die Transporteigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas und die frühesten Stadien der Schwerionenkollisionen entnehmen. Die Forscher haben eine Karte erstellt, der zufolge spezifische Eigenschaften des Ausgangszustands spezielle Aspekte der beobachteten Teilchen bestimmen. Eine Entflechtung der ursprüngliche Geometrie aus der am Ende herrschenden anisotropen Strömung gestattete eine Extrahierung der Scher- und Volumenviskosität des Quark-Gluon-Plasmas. Die Effekte der Volumenviskosität interferieren üblicherweise mit denen der Scherviskosität, was es schwierig macht, die eine zu bestimmen, ohne die andere zu kennen. Forschung im Rahmen des Projekts HICATLHC (Phenomenology of heavy ion collisions at RHIC and the LHC) hat entscheidende Unterschiede ergeben, die bei der Berechnung ihres tatsächlichen Werts für die nahezu perfekte Flüssigkeit genutzt werden können, die das Quark-Gluon-Plasma darstellt. Man erwartete, dass sich das Quark-Gluon-Plasma mehr wie ein Gas verhält, dessen Bestandteile in schwacher Wechselwirkung miteinander stehen. Die Tatsache, dass es sich eher wie eine Flüssigkeit verhält, lässt stattdessen vermuten, dass seine Bestandteile stärker miteinander interagieren. Anhand der Simulation von Kollisionen immer kleinerer Ionen wurde das untersucht, wobei die Resultate Aufschluss darüber geben, auf welche Weise Quark-Gluon-Plasma entsteht. Der wichtigste Punkt bei der Kollision von Schwerionen war stets, ein System zu erschaffen, das groß genug ist, um sich dem thermodynamischen Gleichgewicht anzunähern. Nur wenn das erreicht wird, können die Forscher die Transporteigenschaften der Volumenkernmaterie untersuchen. Bei hydrodynamischen Simulationen von Kern-Kern- und Kern-Proton-Kollisionen beobachteten sie, wie klein ein Tropfen des Quark-Gluon-Plasmas sein könnte. Neueste Nachrüstungen am LHC und am RHIC haben die Menge der Arten von kollidierenden Teilchen erhöht, den Bereich der Energien erweitert, bei denen sie arbeiten, sowie die Präzision ihrer Detektoren verbessert, was insgesamt dazu beitragen wird, das Quark-Gluon-Plasma im Detail zu analysieren. Die Ergebnisse von HICATLHC deuten darauf hin, dass die Daten die Wissenschaftler zweifellos auch in Zukunft überraschen werden.
Schlüsselbegriffe
frühes Universum, Quark-Gluon-Plasma, LHC, Large Hadron Collider, RHIC, Schwerionenkollisionen, HICATLHC
