Physiker messen die Eigenschaften von Quark-Gluonen-Plasma am LHC

Die Grafik zeigt, wie ein kleines, längliches Tröpfchen aus Quark-Gluonen-Plasma entsteht, wenn zwei Atomkerne nicht exakt frontal miteinander kollidieren. Die Verteilung der emittierten Teilchen erlaubt es, die Eigenschaften des Quark-Gluonen-Plasmas zu messen, darunter die Viskosität. (State University of New York)
Die Grafik zeigt, wie ein kleines, längliches Tröpfchen aus Quark-Gluonen-Plasma entsteht, wenn zwei Atomkerne nicht exakt frontal miteinander kollidieren. Die Verteilung der emittierten Teilchen erlaubt es, die Eigenschaften des Quark-Gluonen-Plasmas zu messen, darunter die Viskosität. (State University of New York)

Forscher haben in dem 27 Kilometer langen Teilchenbeschleuniger LHC am CERN (Schweiz) die primordiale Suppe des frühen Universums im Miniformat nachgebildet, indem sie Bleiatome mit extrem hoher Energie kollidieren ließen. Die “primordiale Suppe” ist ein sogenanntes Quark-Gluonen-Plasma und die Forscher des Niels Bohr Institute und anderer Einrichtungen haben seine Eigenschaften bei der Rekordenergie des LHC mit großer Genauigkeit gemessen. Die Ergebnisse wurden bei den Physical Review Letters eingereicht, dem führenden Wissenschaftsjournal für Kern- und Teilchenphysik.

Wenige Milliardstel Sekunden nach dem Urknall bestand das Universum aus einer Art extrem heißen und dichten Suppe aus den elementarsten Teilchen, vor allem Quarks und Gluonen. Dieser Zustand wird als Quark-Gluonen-Plasma bezeichnet. Durch Kollisionen von Bleikernen bei einer Rekordenergie von 5,02 Teraelektronenvolt war es dem weltweit leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) möglich, diesen Zustand im Detektor des ALICE-Experiments nachzubilden und seine Eigenschaften zu messen.

“Die Analysen der Kollisionen haben es erstmals ermöglicht, die genauen Eigenschaften eines Quark-Gluonen-Plasmas bei der bislang höchsten Energie zu messen und festzustellen, wie es fließt”, erklärte You Zhou, ein Postdoktorand in der ALICE-Forschungsgruppe am Niels Bohr Institute. You Zhou arbeitete zusammen mit einem kleinen, schnellen Team internationaler Partner und führte die Analyse der neuen Daten durch. Die Wissenschaftler maßen, wie das Quark-Gluonen-Plasma fließt und fluktuiert, nachdem es durch die Kollisionen von Bleiionen gebildet wurde.

Verbesserte Messmethoden

Der Schwerpunkt lag auf den Eigenschaften des Quark-Gluonen-Plasmas in seiner Gesamtheit. Sie zeigen, dass sich dieser Materiezustand mehr wie eine Flüssigkeit verhält und weniger wie ein Gas – sogar bei den höchsten Energiedichten. Die neuen Messungen wurden mit neuen Methoden durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen vielen Teilchen zu untersuchen, und ermöglichten es, die Viskosität dieses exotischen Fluids mit hoher Präzision zu bestimmen.

You Zhou erklärte, dass die experimentelle Methode sehr fortgeschritten ist. Sie basiere auf der Tatsache, dass zwei kugelförmige Atomkerne bei einer nicht ganz frontalen Kollision ein Quark-Gluonen-Plasma mit einer leicht länglichen Form bilden, ähnlich wie ein American Football. Das bedeutet, dass sich der Druckunterschied zwischen dem Zentrum dieses extrem heißen “Tröpfchens” und der Oberfläche entlang der verschiedenen Achsen verändert. Das Temperaturdifferenzial steuert die Expansion und den Fluss und infolgedessen kann man eine charakteristische Veränderung in der Anzahl der in den Kollisionen erzeugten Teilchen als eine Funktion des Winkels messen.

Die Kartierung der primordialen Suppe

“Es ist bemerkenswert, dass wir so detaillierte Messungen an einem Tröpfchen des ‘frühen Universums’ durchführen konnten: Es hat einen Radius von nur etwa einem Millionstel Milliardstel Meter. Die Ergebnisse stimmen völlig überein mit den physikalischen Gesetzen der Hydrodynamik, zum Beispiel der Theorie über fließende Fluide, und sie zeigt, dass sich das Quark-Gluonen-Plasma wie eine Flüssigkeit verhält. Es ist allerdings eine sehr spezielle Flüssigkeit, weil sie nicht aus Molekülen besteht wie Wasser, sondern aus den Elementarteilchen Quarks und Gluonen”, erklärte Jens Jørgen Gaardhøje, Professor und Leiter der ALICE-Gruppe am Niels Bohr Institute der University of Copenhagen.

Jens Jørgen Gaardhøje ergänzte, dass die Forscher jetzt dabei sind, diesen Zustand mit immer besserer Genauigkeit zu untersuchen – sogar noch weiter in der Vergangenheit.

Quelle: http://www.nbi.ku.dk/english/news/news16/the-universes-primordial-soup-flowing-at-cern/

(THK)

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