Eine neue Form von Materie beim 'kleinen Urknall'

News: Eine neue Form von Materie beim 'kleinen Urknall'

Früher war alles anders! Zumindest ganz früher. Kurz nach Entstehung des Universums durch den berühmten Urknall gab es nicht einmal die gewohnten Atome aus Elektronen, Protonen und Neutronen - ja, selbst diese Kernbausteine existierten noch nicht. Stattdessen befand sich die gesamte Materie des Universums in einem unglaublich dichten Zustand, in dem Quarks und Gluonen frei durcheinander wirbelten. Zumindest stellten Physiker sich den Anfang des Weltalls bislang so vor, ohne sich dabei auf mehr als theoretische Modelle und Berechnungen stützen zu können. Und es hat den Anschein, als würde die Theorie recht gut beschreiben, was wenige Millisekunden nach dem Urknall passiert ist. Einem Team aus mehreren Arbeitsgruppen am CERN in der Schweiz ist es nämlich gelungen, dieses Quark-Gluonen-Plasma durch die Kollision von Blei-Ionen experimentell herzustellen - gewissermaßen ein Blick zurück auf den Anfang des Weltalls.

Je weiter die Wissenschaft fortschreitet, umso winziger werden die vermeintlich kleinsten Teile der Materie. Gebaren die Griechen des klassischen Altertums noch die Idee des Atoms alleine aus Überlegungen, so sahen sich die Physiker des frühen 20. Jahrhunderts auf Grund von Beobachtungen gezwungen, das bislang "Unteilbare" in kleinere Einheiten zu zerlegen: Zunächst in einen Kern mit einer Hülle aus Elektronen, und schließlich mußten sie den Kern noch in Protonen und Neutronen gliedern. Die vorerst gültige Grenze wurde mit Einführung der Quarks erreicht. Jeweils drei davon treten zu einem Proton oder Neutron zusammen. Die dabei wirkende starke Wechselwirkung übermitteln sogenannte Gluonen, welche die Quarks so fest zusammenfügen, dass es bislang niemandem gelungen ist, sie in einem Experiment voneinander zu lösen. Theoretisch sollte es jedoch möglich sein, Protonen und Neutronen bei genügend hohen Dichten und Temperaturen "schmelzen" zu lassen. In dem entstehenden Quark-Gluonen-Plasma würden die Teilchen sich frei über lange Wegstrecken bewegen können, statt auf engem Raum zusammengepfercht zu sein.

Das letzte Mal haben die nötigen Bedingungen vermutlich vor rund 12 bis 15 Milliarden Jahren geherrscht. Wenige Millisekunden nach dem Urknall, aus dem das Universum hervorgegangen ist, existierten die Quarks nach den gängigen Theorien in Form eines Quark-Gluonen-Plasmas, bevor das Weltall sich so weit ausgedehnt hatte, dass die Temperaturen unter den kritischen Wert sanken und die Materie dadurch zu Protonen und Neutronen kondensierte.

Doch jede Theorie muss sich nach den Regeln der naturwissenschaftlichen Forschung einer experimentellen Überprüfung stellen. Dieser Aufgabe verschrieben sich gleich sieben große Arbeitsgruppen am Teilchenbeschleuniger CERN in der Schweiz. Die Forscher wollten schwere Ionen mit großer Geschwindigkeit kollidieren lassen, um hinreichend hohe Dichten und Temperaturen für das gesuchte Plasma zu erzeugen. Sie entschieden sich für das Element Blei, mit dem sie ein Ziel aus Blei oder Gold beschossen.

Der Ionenstrahl traf in einer Reihe von Versuchen mit so großer Energie auf das Ziel, dass die Temperatur in einem kleinen Bereich 100 000-mal so hoch wie im Innern der Sonne wurde und die Energiedichte 20-mal größer als in gewöhnlichen Atomkernen. Sieben verschiedene Detektoren fingen die Strahlung und die Trümmer des Zusammenstoßes auf.

Für sich alleine betrachtet hätte keiner der Datensätze nachweisen können, dass sich bei der Kollision kurzzeitig ein Quark-Gluonen-Plasma gebildet hat, doch "die kombinierten Daten aus den sieben Experimenten ... haben ein klares Bild von einem neuen Zustand der Materie ergeben", sagte Luciano Maiani, der Generaldirektor des CERN auf einem Seminar am 10. Februar 2000. So detektierten die Sensoren Photonen, die direkt von dem Plasma stammen könnten – allerdings emittieren auch sehr viele andere Vorgänge, die sich bei dem Zusammenstoß ereignen, Strahlung. Eine andere Arbeitsgruppe stellte fest, dass ein als J-Psi bezeichnetes Teilchen nur in geringen Mengen auftrat. Das passte genau zu den Berechnungen, denn das Quark-Gluonen-Plasma sollte die Bildung des Teilchens unterdrücken.

Die Konzentration, Verteilung und Energie weiterer Partikel fügten sich wie bei einem Puzzle schließlich nur dann widerspruchsfrei zusammen, wenn sich tatsächlich kurzzeitig ein Quark-Gluonen-Plasma gebildet hat, das sehr schnell expandierte. Dabei kühlte es aus und wurde dünner, bis die Gluonen die Quarks einfangen und zusammenfassen konnten. Zu diesem Zeitpunkt expandierte das System mit mehr als der halben Lichtgeschwindigkeit – ein "kleiner Urknall" im Labor.

Das Experiment am CERN hat die Richtigkeit der theoretischen Modelle bestätigt. Um die Eigenschaften des neuen Plasmas zu erfoschen, ist die Anlage jedoch nicht geeignet. Diese Aufgabe geben die Wissenschaftler in der Schweiz weiter an die Physiker des Relativistic Heavy Ion Collider am Brookhaven National Laboratory in den USA, der dieses Jahr in Betrieb gehen soll. Und ab 2005 sind die Europäer auch wieder dabei mit dem Large Hadron Collider am CERN, der dann mit ALICE ein neues Schwerionen-Experiment bekommt.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 13.10.1999
"Nobelpreis für Physik 1999"
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Spektrum Ticker vom 9.12.1997
"Dem kosmischen Urplasma auf der Spur"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)

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