Forscher der University of Kansas haben zusammen mit einem internationalen Team am Large Hadron Collider (LHC) ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugt, das weniger Teilchen enthielt, als bislang für möglich gehalten wurde. Ein Quark-Gluonen-Plasma ist ein Materiezustand, der vermutlich kurz nach der Geburt des Universums existierte. Die Materie wurde innerhalb des Compact Muon Solenoid (CMS) Detektors am LHC entdeckt, als Protonen und Bleikerne mit hoher Energie zur Kollision gebracht wurden. Physiker haben das sich ergebende Plasma als das „kleinste Liquid“ bezeichnet.
„Vor den experimentellen Ergebnissen des CMS-Experiments hatte man angenommen, dass das Medium, welches bei Proton-Bleikern-Kollisionen entsteht, zu klein sein würde, um ein Quark-Gluonen-Plasma zu erzeugen“, sagte Quan Wang, ein Postdoktorand an der University of Kansas (KU), der mit dem Team am CERN (European Organization for Nuclear Research) arbeitet. Wang führte Schlüsselanalysen für eine Abhandlung über das Experiment durch, die kürzlich in APS Physics veröffentlicht wurde.
„In der Tat wurden diese Kollisionen als Referenz für Kollisionen von zwei Bleikernen untersucht, um die Aspekte der Kollisionen zu erforschen, die nicht mit einem Quark-Gluonen-Plasma in Zusammenhang stehen“, sagte Wang. „Die in dieser Abhandlung präsentierte Analyse spricht dafür, dass ein Quark-Gluonen-Plasma entgegen der Erwartungen in sehr asymmetrischen Proton-Bleikern-Kollisionen erzeugt werden kann.“ Laut Seniorwissenschaftlern, die mit dem CMS-Detektor arbeiten, werde die unerwartete Entdeckung neues Licht auf die Hochenergiephysik werfen.
„Dies ist die erste Abhandlung, die deutlich zeigt, dass mehrere Teilchen in Proton-Bleikern-Kollisionen miteinander korrelieren, ähnlich wie in Bleikern-Bleikern-Kollisionen, bei denen ein Quark-Gluonen-Plasma entsteht“, sagte Yen-Jie Lee, ein Assistenzprofessor am MIT und Mitglied der CMS-Schwerionenphysikgruppe. „Das ist wahrscheinlich der erste Beleg dafür, dass die kleinste Menge Quark-Gluonen-Plasma in Proton-Bleikern-Kollisionen produziert wird.“
Der Forscher von der University of Kansas beschrieb ein Quark-Gluonen-Plasma als einen sehr heißen und dichten Materiezustand aus ungebundenen Quarks und Gluonen – das heißt, sie sind nicht innerhalb einzelner Nukleonen enthalten.
„Man nimmt an, dass er dem Zustand des Universums kurz nach dem Urknall gleicht“, sagte Wang. „Die Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen innerhalb des Quark-Gluonen-Plasmas ist stark, was das Quark-Gluonen-Plasma von einem gasförmigen Zustand unterscheidet, in welchem man eine geringe Wechselwirkung zwischen den beteiligten Teilchen erwartet.“
Während sich die Hochenergieteilchenphysik oft auf den Nachweis subatomarer Teilchen wie dem Higgs-Boson konzentriert, untersucht die neue Quark-Gluonen-Plasma-Forschung stattdessen das Verhalten eines Volumens solcher Teilchen. Wang sagte, solche Experimente könnten Wissenschaftlern helfen, die kosmischen Bedingungen in den Momenten direkt nach dem Urknall besser zu verstehen.
„Obwohl wir vermuten, dass der Zustand des Universums eine Mikrosekunde nach dem Urknall aus einem Quark-Gluonen-Plasma bestand, gibt es noch Vieles, das wir bezüglich der Eigenschaften von Quark-Gluonen-Plasma nicht ganz verstehen“, sagte Wang. „Eine der größten Überraschungen bei den früheren Messungen am Relativistic Heavy Ion Collider des Brookhaven National Laboratory war das fluidähnliche Verhalten des Quark-Gluonen-Plasmas. Ein Quark-Gluonen-Plasma durch Proton-Bleikern-Kollisionen erschaffen zu können, hilft uns dabei, die für seine Existenz notwendigen Bedingungen einzugrenzen.“
Wang setzt seine Forschung am Large Hadron Collider des CERN fort, wobei er Analysen und Arbeiten am Betrieb eines von der University of Kansas unterhaltenen Zero Degree Calorimeter durchführt. „Sie müssen dieses Instrument sehen“, sagte er. „Es ist erstaunlich.“
Die KU-Gruppe am CERN spielt zusammen mit Forschern der Rice University und der Vanderbilt University eine führende Rolle bei der in APS Physics veröffentlichten Analyse. Die Gruppe wird vom US-Energieministerium unterstützt.
(THK)
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