Vom Kollisisonzentrum führen bunte Linien in alle Richtungen weg.

Kernmaterie unter extremen Bedingungen

Im Labor erzeugen Physiker einen Feuerball mit einer Materiedichte, die sonst nur Inneren von Neutronensternen herrscht, und einer Temperatur, die hunderttausendfach höher ist als die im Zentrum der Sonne. Auf diese Weise wollen sie herausfinden, wie sich Atomkerne unter extremen Bedingungen verhalten.

Weltweit werden an den größten Beschleunigeranlagen Experimente mit hochenergetischen Ionenstrahlen durchgeführt, um die Eigenschaften von Kernmaterie bei extrem hohen Dichten und Temperaturen zu untersuchen. Dazu werden zwei schwere Atomkerne auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann zur Kollision gebracht. Dabei entsteht für Bruchteile von Sekunden ein hoch komprimierter und heißer Feuerball.

Dieses Gebilde explodiert in Tausende subatomarer Teilchen, von denen die meisten erst in der Kollision entstehen. Die Dichte im Feuerball übersteigt um etwa das Zehnfache die ohnehin schon enorme Dichte in normalen Atomkernen. Wäre der Feuerball so groß wie ein Stück Würfelzucker, besäße er eine Masse von drei Milliarden Tonnen. Solche Materiedichten kommen in der Natur nur im Inneren von Neutronensternen vor. Die Temperatur des Feuerballs ist hunderttausendfach höher als die im Zentrum der Sonne.

Bei solch hohen Dichten und Temperaturen lösen sich die Protonen und Neutronen in ihre Bestandteile – Quarks und Gluonen – auf. Damit sind diese nicht mehr in Nukleonen gebunden und das Confinement ist aufgehoben. Die Theorie der Starken Wechselwirkung, die Quantenchromodynamik (QCD), sagt hier einen Phasenübergang von Kernmaterie in ein Plasma aus Quarks und Gluonen voraus. Kernmaterie kann also verschiedene Zustandsformen in Abhängigkeit von Temperatur und Druck annehmen, ähnlich wie Wasser, das je nach Temperatur und Druck flüssig, fest oder gasförmig sein kann.

Schematische Darstellung der Phasen von Kernmaterie für verschiedene Dichten und Temperaturen. Auf der horizontalen Achse steigt nach rechts hin die Kernmateriedichte während auf der vertikalen Achse nach oben die Temperatur steigt. Für besonders hohe Temperaturen oder Dichten erwartet man, dass sich ein Quark-Gluon-Plasma bildet.
Phasendiagramm der Kernmaterie

Für besonders hohe Temperaturen oder Dichten erwartet man, dass sich ein Quark-Gluon-Plasma bildet. Man nimmt heute an, dass dieser Phasenübergang je nach Temperatur und Dichte unterschiedlich abläuft: Bei hohen Dichten und niedrigen Temperaturen bildet sich erst eine gemischte Phase aus Hadronen, Quarks und Gluonen, ähnlich wie Wasser am Siedepunkt in eine Phase aus Tröpfchen und Dampf übergeht. In Analogie zum Wasser wird auch für Kernmaterie ein kritischer Punkt vermutet, in dem besonders große Dichteschwankungen erwartet werden.

Jenseits des kritischen Punktes, bei kleinen Dichten und hohen Temperaturen, gehen die Hadronen kontinuierlich in das Quark-Gluon-Plasma über. Nach unserem heutigen Verständnis war dies die „Ursuppe“, aus der das heiße Universum kurz nach dem Urknall bestand. Heute könnte Quark-Gluon-Materie noch im Zentrum von Neutronensternen existieren, allerdings bei sehr hohen Dichten und vergleichsweise niedrigen Temperaturen.

Gegenwärtige und zukünftige Experimente konzentrieren sich auf die Erforschung von zwei Bereichen des Phasendiagramms von Kernmaterie: Bei hohen Temperaturen und niedrigen Materiedichten sollen die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas detailliert untersucht werden. Bei hohen Materiedichten und niedrigen Temperaturen wird nach dem Phasenübergang, dem kritischen Punkt und neuen Formen von komprimierter Kernmaterie gesucht. Die Temperatur und die Dichte der Materie im Feuerball beeinflussen die Anzahl und die Eigenschaften der im Stoß herausgeschleuderten Teilchen, ihre Energie, ihre Masse und Zusammensetzung.

Eine besondere Rolle spielen hierbei solche Teilchen, die aus der frühen und dichten Phase des Feuerballs stammen und nur wenig durch die spätere hadronische Phase beeinflusst werden. Dazu gehören besonders Teilchen, die bereits im Inneren des Feuerballs zum Beispiel in Elektron-Positron-Paare zerfallen. Interessant sind auch instabile Teilchen, die aus schweren Quarks bestehen.

Eine weitere wichtige Beobachtungsgröße ist das Expansionsverhalten der Materie nach einer Kollision, der sogenannte kollektive Fluss der Teilchen. Ähnlich wie die Hubble-Konstante die Expansion des Universums charakterisiert und damit Rückschlüsse auf den Urknall ermöglicht, erlaubt der kollektive Teilchenfluss Rückschlüsse auf den Zustand der Materie im frühen Feuerball.

Experimente mit Kernmaterie bei höchsten Temperaturen – Einblicke in die Frühphase des Universums

Ein extrem heißes Quark-Gluon-Plasma, wie es wenige Mikrosekunden nach dem Urknall vorlag, lässt sich künstlich erzeugen, indem man Atomkerne bei sehr hohen Energien zur Kollision bringt. Die detaillierte Untersuchung der Eigenschaften dieser nur aus Elementarteilchen bestehenden Materie ist das Ziel der Experimente am Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) in den USA und am Large Hadron Collider (LHC) des CERN mit dem ALICE-Detektor. Letzterer wurde von einer Kollaboration von über 1200 Physikern aufgebaut und zeichnet seit November 2010 Daten auf. Erste experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich das Quark-Gluon-Plasma wie eine perfekte Flüssigkeit verhält.

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Drei Grafiken zeigen wie ein schmaler Streifen aus verschieden farbigen Punkten, die Quarks und Gluonen markieren, auseinander fliegt.
    <figcaption> Kollision zweier Atomkerne   </figcaption>   </figure>   <figure class="rte float-left" style="width:250px;">  
Rund um das Zentrum der Kollision streben gelb gefärbte Linien nach außen.
    <figcaption> Kollision zweier Bleikerne   </figcaption>   </figure>

 

Experimente mit Kernmaterie bei höchsten Dichten – Expedition in das Innere von Neutronensternen

Einen anderen Weg gehen die Experimente der geplanten Beschleunigeranlage FAIR. Die Energien, bei denen dort die Atomkerne zur Kollision gebracht werden, führen zur Entstehung eines Feuerballs mit einem Vielfachen der normalen Kerndichte. Das auf diese Weise erzeugte Quark-Gluon-Plasma ähnelt in seiner Zusammensetzung dem Inneren von Neutronensternen. Mehr als 400 Wissenschaftler aus dem In- und Ausland entwickeln derzeit ein Detektorsystem für FAIR, das Compressed Baryonic Matter (CBM)-Experiment. Das Ziel der Messungen mit dem CBM-Detektor ist die Erforschung der bisher unbekannten Gebiete des Phasendiagramms von Kernmaterie bei hohen Dichten, wo Phasenübergänge, der kritischen Punkt und neue Formen von Kernmaterie vermutet werden.

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Kollision zweier schwerer Kerne: ein schmaler Streifen (aber breiter als im oberen Bild des LHC), der aus farbigen Punkten besteht fliegt in drei Schritten auseinander.
    <figcaption> Kollision zweier schwerer Kerne   </figcaption>   </figure>   <figure class="rte float-right" style="width:250px;">  
Vom Kollisionszentrum aus zeigen pyramidenförmige Stufen nach rechts, von dort fliegt das eine Goldatom auf sein ruhendes Target zu. Vom Kollisionspunkt führen bunte Striche in alle Richtungen weg.
    <figcaption> Kollision zweier Goldkerne   </figcaption>   </figure>