Das Zusammenschlagen schwerer Ionen könnte die stärksten elektrischen Felder der Welt erzeugen

Laborexperimente auf der ganzen Welt, die sich darauf vorbereiten, die mysteriöse Phase der Materie im frühen Universum nachzubilden, könnten laut einer theoretischen Analyse eines RIKEN-Physikers und zweier Kollegen auch die stärksten elektromagnetischen Felder der Welt erzeugen. Dieser unerwartete Bonus könnte es Physikern ermöglichen, völlig neue Phänomene zu untersuchen.

Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik entsteht beim Zusammendrücken extrem heißer Materie in einem ultradichten Objekt ein Plasma aus subatomaren Teilchen, den sogenannten Quarks und Gluonen. Es sind jedoch Experimente erforderlich, um zu bestätigen, ob dies der Fall ist.

„Obwohl solche Erwartungen bestehen, gibt es große theoretische Unsicherheiten, insbesondere bei ultrahohen Dichten“, bemerkt Hidetoshi Taya vom RIKEN Interdisciplinary Theoretical and Mathematical Sciences Program. „Daher sind Experimente dringend erforderlich, um diese extreme Form der Materie zu untersuchen.“

Bei diesen Experimenten lassen Physiker schwere Ionen (geladene Atome) miteinander kollidieren und untersuchen dann das erzeugte Plasma.

In den vergangenen Jahrzehnten wurden bei solchen Tests meist hohe Energien eingesetzt, um hohe Temperaturen zu erzeugen. In jüngster Zeit haben jedoch mehrere Experimente rund um den Globus den Fokus auf mittlere Energien verlagert, die Plasmen hoher Dichte erzeugen werden.

„Dies ist von entscheidender Bedeutung, um unseren Ursprung zu verstehen, da solche extremen Bedingungen im frühen Universum, in Neutronensternen und explodierenden Sternen, sogenannten Supernovae, herrschen“, erklärt Taya.

Taya hatte bereits intensive Laser und die starken elektromagnetischen Felder, die sie erzeugen, untersucht. Er erkannte, dass als unerwartetes Nebenprodukt dieser Kollisionsexperimente ähnliche, aber viel stärkere Felder entstehen könnten. Diese Möglichkeit ist verlockend, da Physiker vermuten, dass solche ultrastarken Felder neuartige physikalische Phänomene hervorrufen werden.

Doch bisher war es den Physikern nicht gelungen, Felder zu erzeugen, die auch nur annähernd stark genug wären, um diese Möglichkeit zu überprüfen.

„Ein intensiver Laser entspricht etwa hundert Billionen LEDs“, sagt Taya. „Aber selbst diese Laser sind schwach im Vergleich zu den Feldern, die zur Erzeugung dieser neuen Effekte der Starkfeldphysik erforderlich sind.“

Taya und seine Kollegen haben nun eine theoretische Analyse dieser ultrastarken Felder durchgeführt. Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Körperliche Überprüfung C.

„Wir haben gezeigt, dass elektrische Felder, die stark und langlebig genug sind, um die Starkfeldphysik zu erforschen – die mit keinem anderen Experiment angegangen werden können – bei Schwerionenkollisionen mittlerer Energie erzeugt werden können“, sagt Taya.

Physiker werden jedoch nicht in der Lage sein, das erzeugte Feld direkt zu messen und damit Tayas Analyse in geplanten Kollisionsexperimenten zu bestätigen – sie werden nur die durch die Kollision erzeugten Teilchen und ihre Eigenschaften messen können.

„Um unsere Vorhersage wirklich zu überprüfen, ist es entscheidend zu verstehen, wie sich die starken elektromagnetischen Felder auf die beobachtbaren Teilchen auswirken“, sagt Taya. „Wir arbeiten derzeit daran.“