Der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt produziert möglicherweise die kleinsten Flüssigkeitströpfchen der Welt – direkt vor der Nase der Wissenschaftler. Forscher gehen diesem subatomaren Rätsel auf den Grund.
Unterirdisch an der schweizerisch-französischen Grenze hält der Large Hadron Collider (LHC) am CERN den Rekord für den größten Teilchenbeschleuniger der Welt. Allein sein Ring hat einen Umfang von fast 27 Kilometern. Mit diesem Gerät lassen Wissenschaftler subatomare Teilchen zusammenstoßen, um die winzigen Bausteine des Universums besser zu verstehen. Ein Bereich, den Wissenschaftler mit dem LHC untersuchen, ist das Quark-Gluon-Plasma.
Die Suppe am Anfang des Universums
Das Quark-Gluon-Plasma ist eine unvorstellbar heiße, breiige Flüssigkeit. Seine Energie ist so hoch, dass die Quarks und Gluonen, aus denen die sichtbare Materie besteht, aus ihrer üblichen Gefangenschaft in den Protonen und Neutronen der Atomkerne freigesetzt werden. Es fließt tatsächlich so leicht – viel leichter als Wasser –, dass Wissenschaftler es als nahezu „perfekte“ Flüssigkeit betrachten.
Ursprünglich existierte das Quark-Gluon-Plasma ganz am Anfang des Universums, gleich nach dem Urknall. Wenige Sekundenbruchteile später kühlte das Plasma ab. Dabei verbanden sich Quarks und Gluonen und bildeten die bekannten Protonen und Neutronen, aus denen die Atomkerne bestehen. Im Alltag werden Quarks und Gluonen immer in Protonen und Neutronen zusammengehalten.
Derzeit kann das Quark-Gluon-Plasma nur an zwei Orten auf der Erde erzeugt werden – am LHC und am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science) im Brookhaven National Laboratory des DOE. Wissenschaftler untersuchen es, um sowohl die Ursprünge unseres Universums als auch die Teilchen, aus denen es besteht, besser zu verstehen.
Dazu lassen Wissenschaftler schwere Ionen kollidieren. (Schwerionen sind Atome von Elementen, die schwerer als Wasserstoff sind, denen jedoch Elektronen entzogen wurden.) Der LHC lässt insbesondere Bleiionen kollidieren, während der RHIC unter anderem Goldionen kollidieren lässt. Bei einigen Experimenten werden auch schwere Ionen mit Protonen kollidiert.
Die Kollisionen sind so energiereich, dass die Gluonen die Quarks nicht mehr zusammenhalten. Sowohl die Quarks als auch die Gluonen werden aus ihrer Gefangenschaft in Protonen und Neutronen freigesetzt. Genau wie zu Beginn des Universums kühlt das Plasma schnell ab und bildet neue Teilchen. Durch die Untersuchung der Anzahl, Art und Bahnen der Teilchen können Wissenschaftler rückwärts arbeiten und neue Details über das Quark-Gluon-Plasma erhalten.
Spuren des Quark-Gluon-Plasmas identifizieren
Da das Quark-Gluon-Plasma nur für einen so kurzen Zeitraum existiert, kann es schwierig sein, festzustellen, wann es sich gebildet hat oder nicht.
Als Wissenschaftler am RHIC begannen, das Quark-Gluon-Plasma zu untersuchen, nutzten sie physikalische Theorien, um herauszufinden, ob sich das Plasma bildete oder nicht. Sie wussten, dass bei den Kollisionen viele Teilchen entstehen würden, aber sie wussten nicht, wie stark diese miteinander interagieren würden. Die experimentellen Daten zeigten, dass die Wissenschaft der Strömungsdynamik das Quark-Gluon-Plasma gut beschreibt.
Wenn sich Kollisionen zwischen Ionen teilweise überlappen, entsteht eine ungleichmäßige, längliche Dichteverteilung. Die Druckunterschiede drücken Partikel aus dichten Regionen in Regionen mit weniger Partikeln. Dadurch entsteht ein elliptisches Muster aus fließenden Partikeln.
Bei der weiteren Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas stellten die Wissenschaftler fest, dass dieses elliptische Muster ein wesentliches Merkmal des Plasmas ist. Dieses Muster ist ein Beweis dafür, dass Quarks und Gluonen stark miteinander interagieren, was nur im Quark-Gluon-Plasma möglich ist.
Zunächst gingen die Wissenschaftler davon aus, dass nur kollidierende schwere Ionen ein Quark-Gluon-Plasma bilden könnten. Doch im Laufe der Zeit untersuchten sie neue Kombinationen. Bei Kollisionen von Ionen mit Protonen entdeckten sie ein sehr ähnliches Muster.
Dann versuchten Wissenschaftler, die im Rahmen der ATLAS-Kollaboration am CERN forschten – einige von ihnen vom Brookhaven National Laboratory des Energieministeriums – etwas noch Radikaleres. Sie untersuchten, was bei Kollisionen zwischen Lichtteilchen und Ionen im LHC passierte.
Kollidierende Lichtteilchen
Der LHC produzierte derartige Kollisionen bereits – die Wissenschaftler mussten nur noch herausfinden, wie sie sie untersuchen konnten.
Wenn der LHC Bleiionen aufeinander schießt, sind diese Teilchen positiv geladen. Während sie sich bewegen, erzeugen sie elektromagnetische Felder – sehr helles Licht. Diese Felder erzeugen Lichtteilchen, sogenannte Photonen. Während sich die Bleiionen durch die Beschleunigerröhre bewegen, sind sie jeweils von einer Photonenwolke umgeben.
So groß sie für Atomkerne auch sind, Bleiionen sind im Großen und Ganzen immer noch sehr klein. Meistens kollidieren die aufeinander geschossenen Ionen nicht. Es gibt genug kollidierende Ionen im Strahl, um Daten zu sammeln, aber es gibt viele Beinahe-Zusammenstöße. Glücklicherweise waren es diese Beinahe-Zusammenstöße, die die Wissenschaftler bei diesem Experiment untersuchen wollten.
Bei Beinahekollisionen prallt eines der Photonen aus der Photonenwolke, die ein Ion umgibt, auf ein Ion, das in die entgegengesetzte Richtung fliegt. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, auf dem Bürgersteig jemandem auszuweichen und ihn dabei mit Ihrem Rucksack zu treffen – das Photonenfeld ist hier der Rucksack. Da ein ganzer Strahl voller Ionen ist, passieren diese Photon-Ionen-Kollisionen recht häufig.
Ein Muster in den Daten
Was die Wissenschaftler am LHC herausfanden, überraschte sie. Die Art und Weise, wie die Teilchen nach den Photon-Ionen-Kollisionen flossen, zeigte das charakteristische elliptische Muster, das mit dem Quark-Gluon-Plasma verbunden ist. Das war seltsam, denn Photonen sollten einfach nicht genug Energie haben, um die Protonen und Neutronen der massiven Bleikerne zu schmelzen. Es wäre, als würde man ein Streichholz auf einen Eisberg werfen.
Doch die Quantenphysik lieferte eine mögliche Erklärung.
Obwohl Antimaterie wie ein Science-Fiction-Konzept klingt, ist sie definitiv real. Antimaterieteilchen sind Partner von Materieteilchen. Sie haben dieselbe Masse, aber entgegengesetzte Ladungen. Vor fast 100 Jahren sagte der Physiker Paul Dirac Antimaterie voraus. Er sagte auch voraus, dass sich Materieteilchen und Antimaterieteilchen beim Zusammentreffen gegenseitig zerstören und zwei Photonen erzeugen. Spätere Experimente zeigten, dass seine Vorhersagen richtig waren.
Das Seltsame daran ist, dass dieser Prozess auch umgekehrt ablaufen kann. Aufgrund von Quantenfluktuationen können zwei Photonen auch interagieren und ein Quark und ein Antiquark erzeugen. Bevor sich Quark und Antiquark gegenseitig zerstören, können sie ein sehr kurzes Zwischenteilchen bilden. Teilchenphysiker glauben, dass dieses Zwischenteilchen das Rho-Meson sein könnte, ein Teilchen aus einem Quark und einem Antiquark, die durch Gluonen zusammengehalten werden. Anders als ein einzelnes Photon könnte ein Rho-Meson, das mit einem Bleiion kollidiert, möglicherweise einen Aufprall verursachen.
Aber das waren alles experimentelle Daten. Um sicherzustellen, dass experimentelle Daten in die physikalische Theorie passen, müssen Wissenschaftler Berechnungen erstellen, die sie genau beschreiben.
Die Zahlen verwerten
Hier kommen die Theoretiker ins Spiel. Theoretische Physiker am Brookhaven National Laboratory des Energieministeriums und an der Wayne State University untersuchten mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums des Energieministeriums die Daten, um sie besser zu verstehen.
Glücklicherweise mussten sie nicht bei Null anfangen. Sie verfügten bereits über die Berechnungen, die die Kollisionen zwischen Bleiionen und Protonen beschreiben. Diese Berechnungen sind hydrodynamische Berechnungen – sie beschreiben die Bewegung von Flüssigkeiten.
Aufbauend auf diesem Rahmen passten die Wissenschaftler ihre Berechnungen so an, dass sie auch Beinahekollisionen beschreiben konnten. Die erste große Änderung bestand darin, der Tatsache Rechnung zu tragen, dass ein völlig anderer Teilchentyp mit einem Ion interagierte. Die andere bestand darin, der Tatsache Rechnung zu tragen, dass ein Rho-Meson (das Zwischenteilchen) viel weniger Energie hatte als die Protonen, die der Beschleuniger normalerweise mit Ionen kollidieren lässt. Infolgedessen hatte die gesamte Kollision weniger Energie. Das veränderte den Teilchenfluss.
Mit diesen Anpassungen stellten die Theoretiker fest, dass ihre Berechnungen des offensichtlichsten Strömungsmusters mit den experimentellen Daten des LHC übereinstimmten.
Sie kamen auch zu ähnlichen Schlussfolgerungen wie die Wissenschaftler am LHC – nämlich, dass die Möglichkeit besteht, dass die Photon-Ionen-Kollisionen eine „stark wechselwirkende Flüssigkeit“ bilden. Auch wenn diese Arbeit das nicht beweist, deuten diese Studien darauf hin, dass diese viel kleineren Kollisionen tatsächlich winzige Tröpfchen aus Quark-Gluon-Plasma bilden könnten.
Noch tiefer graben
Diese Studien legen den Grundstein für Forschungen, die tiefer in die Materie eintauchen können. Zukünftige Studien am LHC und RHIC werden Wissenschaftlern helfen herauszufinden, ob diese Kollisionen das Quark-Gluon-Plasma bilden oder ob es eine alternative Erklärung gibt. Der Electron-Ion Collider, eine im Bau befindliche Einrichtung des DOE Office of Science, sollte noch mehr Einblicke bieten.
Früher existierte das Quark-Gluon-Plasma nur am Anfang des Universums. Doch jetzt stellen wir fest, dass es in unseren Experimenten auf eine Weise auftaucht, die wir nie erwartet hätten. Manchmal erfordert es nur eine neue Perspektive auf die Experimente, die wir bereits durchführen, um mehr über die Bausteine unseres Universums zu erfahren.