Neutronensterne im Universum, ultrakalte Atomgase im Labor und das Quark-Gluon-Plasma, das bei Kollisionen von Atomkernen am Large Hadron Collider (LHC) entsteht: Sie scheinen völlig unabhängig zu sein, aber überraschenderweise haben sie etwas gemeinsam. Sie alle sind ein flüssigkeitsähnlicher Materiezustand, der aus stark wechselwirkenden Teilchen besteht. Einblicke in die Eigenschaften und das Verhalten dieser nahezu perfekten Flüssigkeiten können der Schlüssel zum Verständnis der Natur auf Skalen sein, die um Größenordnungen voneinander entfernt sind.
In einem neuen Artikel berichtet die CMS-Kollaboration über die bisher präziseste Messung der Geschwindigkeit, mit der sich Schall im Quark-Gluon-Plasma ausbreitet, und bietet neue Einblicke in diesen extrem heißen Zustand der Materie.
Schall ist eine Longitudinalwelle, die sich durch ein Medium ausbreitet und in derselben Bewegungsrichtung Kompressionen und Verdünnungen der Materie erzeugt. Die Schallgeschwindigkeit hängt von den Eigenschaften des Mediums wie seiner Dichte und Viskosität ab. Es kann daher als Sonde des Mediums verwendet werden.
Am LHC entsteht das Quark-Gluon-Plasma durch Kollisionen schwerer Ionen. Bei diesen Kollisionen wird für einen sehr kleinen Bruchteil einer Sekunde eine enorme Energiemenge in einem Volumen deponiert, dessen maximale Größe der eines Atomkerns entspricht. Quarks und Gluonen, die aus der Kollision hervorgehen, bewegen sich frei in diesem Bereich und sorgen für einen flüssigkeitsähnlichen Zustand der Materie, dessen kollektive Dynamik und makroskopische Eigenschaften durch die Theorie gut beschrieben werden.
Darstellung des Quark-Gluon-Plasmas, das bei Kollisionen schwerer Ionen entsteht. Bildnachweis: CERN
Die Schallgeschwindigkeit in dieser Umgebung kann aus der Geschwindigkeit ermittelt werden, mit der sich der Druck als Reaktion auf Schwankungen der Energiedichte ändert, oder alternativ aus der Geschwindigkeit, mit der sich die Temperatur als Reaktion auf Schwankungen der Entropie ändert, was ein Maß für die Unordnung in a ist System.
Bei Schwerionenkollisionen kann die Entropie aus der Anzahl der bei den Kollisionen emittierten elektrisch geladenen Teilchen abgeleitet werden. Die Temperatur hingegen lässt sich aus dem durchschnittlichen Transversalimpuls (also dem Impuls quer zur Kollisionsachse) dieser Teilchen ableiten.
Anhand von Daten von Blei-Blei-Kollisionen bei einer Energie von 5,02 Billionen Elektronenvolt pro Nukleonenpaar (Protonen oder Neutronen) hat die CMS-Kollaboration erstmals gemessen, wie sich die Temperatur mit der Entropie bei zentralen Schwerionenkollisionen ändert, bei denen die Ionen kollidieren frontal und überlappen sich fast vollständig.
Aus dieser Messung erhielten sie einen Wert für die Schallgeschwindigkeit in diesem Medium, der fast der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit entspricht und eine Rekordgenauigkeit aufweist: In Einheiten der Lichtgeschwindigkeit beträgt die Quadratgeschwindigkeit des Schalls 0,241, mit einer statistischen Unsicherheit von 0,002 und einer systematischen Unsicherheit von 0,016. Mithilfe des mittleren Transversalimpulses ermittelten sie außerdem die effektive Temperatur des Quark-Gluon-Plasmas mit 219 Millionen Elektronenvolt (MeV) und einer systematischen Unsicherheit von 8 MeV.
Die Ergebnisse stimmen mit den theoretischen Erwartungen überein und bestätigen, dass das Quark-Gluon-Plasma als Flüssigkeit aus Partikeln fungiert, die enorme Energiemengen transportieren.
Das Papier ist veröffentlicht auf der arXiv Preprint-Server.
Mehr Informationen:
Extrahieren der Schallgeschwindigkeit in der stark wechselwirkenden Materie, die bei ultrarelativistischen Blei-Blei-Kollisionen am LHC entsteht, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2401.06896