Kernphysiker stellen Beobachtungen zum quantenchromodynamischen Phasenübergang vor
Etwa zehn Millionstel Sekunden dauerte es, bis die Bausteine der Materie unserer heutigen Alltagswelt entstanden, so die gängige Annahme von Experten: Nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren bewegten sich Quarks und Gluonen, zwei Arten von Elementarteilchen, deren Wechselwirkung von der Quanten-Chromodynamik, der Theorie der starken Wechselwirkung beschrieben wird, in den allerersten Augenblicken des Universums frei in einem Quark-Gluon-Plasma. Dann vereinigten sie sich und bildeten beispielsweise Protonen und Neutronen, aus denen die Kerne von Atomen bestehen und die zur Teilchenklasse der Hadronen gehören. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“ präsentiert ein internationales Forscherteam nun eine Analyse der Ergebnisse langjähriger Experimente an Teilchenbeschleunigern, die Licht auf die Natur dieses Phasenübergangs wirft. Unter anderem bestimmten die Forscher mit Präzision die Übergangstemperatur und erhielten neue Erkenntnisse zum Mechanismus, wie ein Quark-Gluon-Plasma beim Abkühlen in die normalen Materiebausteine wie Protonen, Neutronen oder Atomkerne ausfriert. Das Forscherteam besteht aus Wissenschaftlern vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie von den Universitäten Heidelberg, Münster und Breslau (Polen).
Messungen bestätigen vorhergesagte Übergangstemperatur / Einhundertzwanzigtausend Mal heißer als das Innere der Sonne
Ein zentraler Befund: Die Experimente bei weltweit höchster Energie mit dem ALICE-Detektor am Kernforschungszentrum CERN (Large Hadron Collider, LHC) produzieren Materie, in der Teilchen und Antiteilchen mit sehr genau gleicher Häufigkeit vorkommen, identisch mit der Urknallmaterie. Das Team bestätigt durch die Analyse der in den Experimenten gewonnenen Daten theoretische Vorhersagen, nach denen der Phasenübergang zwischen Quark-Gluon-Plasma und hadronischer Materie bei einer Temperatur von 156 Megaelektronenvolt geschieht. Das entspricht einer Temperatur, die Einhundertzwanzigtausend Mal heißer ist als das Innere der Sonne.
Teilchen trotzen hohen Temperaturen im Verbund
Die Physiker analysierten eine Vielzahl an Teilchen und Antiteilchen genauer. „Unsere Untersuchungen bringen mehrere überraschende Erkenntnisse mit sich. Eine davon ist, dass leichte Atomkerne und ihre Antiteilchen bei der gleichen Temperatur wie Protonen und Antiprotonen erzeugt werden, obwohl ihre Bindungsenergien etwa einhundert Mal kleiner sind als die der Übergangstemperatur entsprechende Energie“, sagt Prof. Dr. Anton Andronic von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, vormals GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. Die Wissenschaftler vermuten, dass solche „schwach gebundenen“ Teilchen den hohen Temperaturen zunächst als kompakte Multi-Quark Zustände trotzen, die sich erst bei viel niedrigerer Temperatur in die beobachteten leichten Atomkerne oder Antikerne entwickeln. Die Existenz solcher Multi-Quark Zustände wurde seit langer Zeit vermutet, ohne dass konkrete Hinweise darauf gefunden werden konnten.
Eine andere besonders interessante Beobachtung betrifft ein zwar seit langer Zeit bekanntes, aber bisher nicht verstandenes Phänomen: Normalerweise sind Quarks im Innern von Protonen und Neutronen eingeschlossen; isolierte Quarks kommen nicht vor – eine Eigenschaft, die fachsprachlich mit „confinement“ bezeichnet wird. Im Inneren des Feuerballs, der nach einer Kernkollision im Teilchenbeschleuniger entsteht, ist dieses „confinement“ aufgehoben („deconfinement“). Die neue Studie zeigt: Charmonium-Zustände – sogenannte J/psi-Mesonen, bestehend aus einem schweren Charm-Quark und seinem Antiteilchen –, werden bei LHC-Energie weit häufiger erzeugt als bei niedrigerer Energie, zum Beispiel am „Relativistic Heavy Ion Collider“ in den USA. Wegen der höheren Energiedichte am LHC war das Gegenteil, nämlich eine Reduktion durch Dissoziation von J/psi-Mesonen, erwartet worden. Andererseits war vor 18 Jahren von zwei Team-Mitgliedern (Prof. Dr. Peter Braun-Munzinger, GSI, und Prof. Dr. Johanna Stachel, Universität Heidelberg) eine erhöhte Produktion vorhergesagt worden aufgrund des „deconfinements“ der Charm-Quarks. Dieser Vorschlag wurde in einer Serie von Veröffentlichungen vom gesamten Team detailliert ausgearbeitet. Die nun beobachtete verstärkte Produktion der J/psi-Teilchen bestätigt die Vorhersage: J/psi-Mesonen werden nur dann in der beobachteten großen Anzahl produziert, wenn ihre Bestandteile, die Charm- und Anticharm-Quarks, sich in diesem Zustand bis zu einem Billiardstel Zentimeter weit frei bewegen können – das entspricht ungefähr zehn Mal der Größe eines Protons. „Diese Beobachtungen sind ein erster Schritt, um das Phänomen des ‚confinements‘ im Detail zu verstehen“, unterstreicht Prof. Dr. Krzysztof Redlich von der Universität Breslau.
Experimente am Kernforschungszentrum CERN und am Brookhaven National Laboratory
Die Daten stammen aus mehrjährigen Untersuchungen im Rahmen des Experiments „ALICE“ am Teilchenbeschleuniger „Large Hadron Collider“ (LHC) des Kernforschungszentrums CERN bei Genf. Mit „ALICE“ untersuchen Wissenschaftler aus 41 Ländern anhand von aufeinanderprallenden Strahlen aus Bleiatomkernen den Zustand des Universums unmittelbar nach dem Urknall: Bei den Kollisionen dieser Atomkerne entstehen die höchsten jemals durch Menschen erzeugten Energiedichten. Als Folge dieser Zusammenstöße bildet sich Materie (Quarks), wie sie unmittelbar zu Beginn des Universums existierte. Pro Kollision entstehen mehr als 30.000 Teilchen, die mit den „ALICE“-Detektoren vermessen werden. In die aktuelle Studie flossen außerdem Daten aus Experimenten an zwei Teilchenbeschleunigern mit niedrigerer Energie ein: dem „Super Proton Synchroton“ am CERN sowie dem „Relativistic Heavy Ion Collider“ am US-amerikanischen Brookhaven National Laboratory auf Long Island, New York.
Die Arbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1225 „Isolierte Quantensysteme und Universalität unter extremen Bedingungen (ISOQUANT)“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt. Sie wurden außerdem durch das polnische National Science Center (NCN) gefördert (Maestro grant DEC-2013/10/A/ST2/00106).
Kernphysik an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU)
Die Kernphysiker der WWU sind nicht nur von Beginn an Teil des ALICE-Teams, sondern sie waren auch bereits an den Vorgänger-Experimenten am CERN sowie an Experimenten am Brookhaven National Laboratory beteiligt. Die Gruppe am Institut für Kernphysik – zunächst unter der Leitung von Prof. Dr. Rainer Santo, danach Prof. Dr. Johannes Wessels und nun Prof. Dr. Anton Andronic – war beispielsweise federführend an der Konzeption, am Aufbau und am Betrieb des sogenannten Übergangsstrahlungsdetektors beteiligt, der im ALICE-Experiment Elektronen und Positronen nachweist. Außerdem spielen die Münsteraner eine führende Rolle bei vielen physikalischen Analysen des ALICE-Experiments.
Originalveröffentlichung:
Andronic A., Braun-Munzinger P., Redlich K. und Stachel J. (2018): Decoding the phase structure of QCD via particle production at high energy. Nature 561, 321–330 (2018); https://doi.org/10.1038/s41586-018-0491-6