Quark-Gluonen- Plasma

Lexikon der Astronomie: Quark-Gluonen- Plasma

Das Quark-Gluonen-Plasma (QGP) ist eine besondere und exotische Materieform, wie sie unter normalen, irdischen Bedingungen nicht vorkommt. Dieses Plasma besteht aus quasi-freien Quarks und Gluonen. Die Existenz des QGPs wurde vom Standardmodell der Teilchenphysik und der Quantenchromodynamik (QCD) vorhergesagt.

extreme Bedingungen

Allerdings bildet sich das Quark-Gluonen-Plasma nur unter extremen Bedingungen: Entweder muss die Materiedichte enorm hoch sein, und etwa fünf- bis zehnfache Kernmateriedichte, entsprechend 1.3 bis 2.5 × 10¹⁵ g cm^-3, betragen. Oder die Temperatur muss extrem hoch sein, bei etwa 10¹² Kelvin! Das ist fast 70000mal heißer als im Mittelpunkt der Sonne! Mittlerweile ist das Quark-Gluonen-Plasma 'künstlich' in Teilchenbeschleunigern hergestellt und gesichert experimentell nachgewiesen worden.

Über Quarks und Gluonen

Das erstaunliche am QGP ist, dass die Quarks in freier Form existieren können. Unter normalen Bedingungen sind sie als Hadronen gebunden. Gebunden zu Zweiergruppen nennt man sie Mesonen, in Dreiergruppen Baryonen. Mittlerweile wurden sogar Quarks in Vierergruppen (Tetraquark) und Fünfergruppen (Pentaquark) experimentell nachgewiesen.
Die Bindung der Quarks wird in der Fachsprache confinement (engl. für 'Gefangenschaft', 'Einschluss') oder im Deutschen auch 'Farbeinschluss' genannt. Das Confinement wird unter den genannten extremen Bedingungen aufgebrochen und die Quarks sind asymptotisch frei. Sie wechselwirken gemäß der QCD, der Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung, miteinander über den Austausch von Gluonen. Diese bosonischen Botenteilchen, die die starke Kraft vermitteln, bilden zusammen mit den quasi-freien Quarks ein plasmaartiges Konglomerat, das Quark-Gluonen-Plasma genannt wird.

Welche Prognose gibt die Theorie?

Die Gleichungen der Quantenchromodynamik im Regime starker Kopplung lassen sich durch die Gittereichtheorie lösen. Dabei wird die Theorie auf einem euklidischen Raum-Zeit-Gitter diskretisiert – ein Verfahren, das übrigens Lösungsverfahren in der Hydrodynamik und Magnetohydrodynamik ähnelt (siehe auch AMR). Die Rechnungen der Gitter-QCD haben ergeben, dass der Phasenübergang bei 173±15 MeV (oder etwa eine Billion Kelvin) stattfindet (z.B. F. Karsch, hep-lat/0412038).

Wir heizen auf – was geschieht?

Aufheizen bricht die Atomkerne in Nukleonen auf. Die Hitze stellt auch Energie zur Verfügung, die es gestattet, aus dem Quantenvakuum Teilchen entstehen zu lassen: vor allem Pionen. In diesem Stadium gibt es demnach Nukleonen und dazwischen Pionen. Schließlich überlappen die Pionen mit den Nukleonen, so dass es insgesamt zu einem Netzwerk aus Quarks, Antiquarks und Gluonen kommt. Am Ende füllt dieses Netzwerk den ganzen Raum aus – ein Zustand, den man Perkolation (lat. percolo: 'vollenden') nennt – und man erhält das heißes QGP.

Wir pressen zusammen – was geschieht?

Beim Komprimieren von Materie gibt es einen vergleichbaren Überlappungseffekt wie soeben beschrieben, nur dass sich danach ein kaltes QGP ausbildet.

natürliches Vorkommen des QGPs

Die Extrembedingungen, mehrfache Kernmateriedichte und ein Billion Kelvin hohe Temperaturen, findet man in der Natur nach aktuellem Kenntnisstand nur in zwei Fällen. Im Universum, etwa eine Mikrosekunde nach dem Urknall, als der Feuerball noch klein und heiß genug war, erwarten die Physiker ein heißes QGP. Hingegen erwarten sie im Innern von kompakten Objekten, nämlich bei den Neutronensternen oder eventuell auch bei Quarksternen, dass ein kaltes QGP im Innern entsteht

So stellen Physiker das QGP künstlich her

Feuerball nach Gol-Gold-Kollision, RHIC Die Physiker versuchten schon seit einiger Zeit das QGP experimentell in Teilchenbeschleunigern herzustellen. In einigen wenigen Aspekten entspricht dieses Experiment einem Urknall im Labor. Dazu benutzen die Teilchenphysiker schwere Ionen, wie Gold- oder Bleiionen. Diese Elemente enthalten besonders viele Teilchen im Atomkern, etwa 200 dieser so genannten Nukleonen pro Atomkern. Schwere Elemente eignen sich für diese Experimente, weil sie bereits viele Teilchen für einen Zusammenstoß mitbringen, hohe Bewegungsenergien besitzen, wenn sie beschleunigt werden (kinetische Energie wächst linear mit der Masse) und einen größeren Querschnitt zur Kollision haben. Die schweren Ionen werden aufeinander geschossen und sollen für extrem kurze Zeiten das QGP in einem winzigen Raumpunkt erzeugen: die so genannte Energiedichte ist die zentrale Größe in der Teilchenbeschleunigerphysik. Ziel ist es in einem kleinen Volumen viel Energie (in Form von schnellen Teilchen) zu deponieren. Bei einer Kollision von einem Goldion auf ein anderes werden auf einmal 400 Nukleonen in einem winzigen Würfel der Kantenlänge von einem Femtometer (10^-13 cm) vereinigt. Die Temperaturen dabei sind enorm hoch und betragen etwa 1.8 × 10¹² Kelvin! Kurzzeitig entsteht ein so genannter nuklearer Feuerball. Das klingt dramatisch, aber die totale Energie (etwa 200 GeV pro Nukleonenpaar) ist nicht viel größer, als diejenige kinetische Energie, die frei wird, wenn eine Augenwimper aus einer Höhe von 60 Zentimetern auf den Boden fällt!
Die Physiker können das QGP jedoch nicht direkt messen, sondern müssen aus den hadronischen Schauern die Existenz des QGP rekonstruieren. Nach einer kurzen Existenz des Plasmas aus Quarks und Gluonen, 'zerplatzt' der Feuerball in eine Vielzahl von Teilchen: neben den Nukleonen (Protonen und Neutronen), entstehen auch Photonen und natürlich auch Pionen sowie Kaonen etc. Mit hadronischen Schauern bezeichnen die Kernphysiker die neuen Teilchen, die sich aus den Fragmenten der Kollision bilden. Weil ein Feuerball zu einigen tausend Teilchen 'hadronisiert', ist die Detektion und Datenanalyse außerordentlich anspruchsvoll. Die Abbildung oben rechts vermittelt einen Eindruck davon: sie zeigt tausende Hadronen als bunte Fäden, die nach einer Gold-Gold-Kollision im STAR-Experiment am RHIC entstanden sind (Credit: Berkeley Lab, 2005). Die oben genannte Phasenübergangstemperatur von etwa 170 MeV folgt experimentell aus der Analyse der produzierten Hadronenhäufigkeiten mit etwa 10% Unsicherheit – eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment.

Unfall zweier Pfannkuchen

Erste Hinweise auf die Bildung des Quark-Gluonen-Plasmas gab es schon an der europäischen Teilchenbeschleunigeranlage CERN, wie im Jahr 2000 bekannt gegeben wurde. Der gesicherte Nachweis gelang am US-amerikanischen Teilchenbeschleuniger RHIC, dem Relativistic Heavy Ion Collider. Hier nutzen die Physiker zur Herstellung des QGP einen 2.4 Meilen umfassenden Ring, an dem es sechs (magnetisch geführte) Kreuzungspunkte gibt. An den Kreuzungen können sich die Teilchenkollisionen ereignen. Die Atomkerne erreichen relativistische Geschwindigkeiten, also Geschwindigkeiten, die mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit (knapp 300000 km/s) vergleichbar sind. Aufgrund der Gültigkeit der Speziellen Relativitätstheorie und der damit verbundenen Lorentz-Kontraktion erscheinen die an sich (im Ruhesystem) kugeligen Kerne im Laborsystem stark abgeflacht in Bewegungsrichtung. Die Kollision findet demnach eher zwischen zwei scheibenartigen Gebilden (Fachausdruck pancakes, also 'Pfannkuchen') statt. In der Theorie kann die Kollision schwerer Atomkerne mit den Methoden der Hydrodynamik beschrieben werden. Damit können die experimentellen Daten gut wiedergegeben werden.
Erste Ergebnisse am RHIC wurden aus Gold-Deuteron-Kollisionen im März 2003 gewonnen. Das viel leichtere Deuteron ist ein Verbund aus einem Proton und einem Neutron, dem Atomkern des Deuteriums, schwerem Wasserstoff. Das viel kleinere Deuteron schießt durch den viel größeren Goldatomkern wie eine Gewehrkugel. Dabei werden Quarks herausgerissen, die schließlich Teilchen-Jets erzeugen. 'Teilchen-Jet' meint in diesem Zusammenhang die oben angesprochenen 'Teilchenschauer'. (Anmerkung: Die Teilchenjets sind nicht zu verwechseln mit den kosmischen Jets der Astrophysik! Sie sind sich nur morphologisch ähnlich.)

Durchbruch am Teilchenbeschleuniger RHIC

Im Jahr 2004 wurde eine Erfolgsmeldung verbreitet: Am Teilchenbeschleuniger RHIC konnte mit den Detektoren PHENIX und STAR das Quark-Gluonen-Plasma nachgewiesen werden!
In den Spektren der aus dem Feuerball erzeugten Teilchen finden sich auch Hinweise darauf, dass einige schnelle Teilchen in der dichten QGP-Schicht abgebremst werden. Die Dichte der Gluonen kann daraus abgeschätzt werden und führt zu einem Zahlenwert, dass sich in einem Zylinder mit dem Durchmesser eines Goldatomkerns und der Höhe eines Femtometers etwa tausend Gluonen befinden!

fundamentales Verständnis der Natur

Aus diesen experimentellen Erfolgen der Teilchenphysik ergeben sich bestimmt vorerst keine industriellen Anwendungen, die den neuen Materiezustand zu nutzen vermögen. Denn dafür sind die Herstellungsbedingungen zu extrem und das QGP zu kurzlebig. Aber es bedeutet einen Durchbruch sowohl für die experimentelle, als auch die theoretische Kernphysik. Die Erforschung der starken Wechselwirkung ist nun unter völlig neuen Voraussetzungen möglich. Es ist insbesondere ein Erfolg der Quantenchromodynamik, deren Prognose bestätigt werden konnte. Die Herstellung und Vermessung des QGPs auf der Erde kommen auch der Astronomie zugute, weil sich aus den Experimenten neue Beschränkungen für das frühe Universum und das Innere von Neutronensternen ergeben. Letztendlich nutzen diese Entdeckungen der ganzen Physik, weil sie in ein neuartiges Verständnis der fundamentalen Wechselwirkungen und dem Aufbau der Materie münden.