Kürzeste Lichtblitze aus ultraheißer Materie

Berechnungen zeigen, dass sich hochenergetische Schwerionenstöße in Teilchenbeschleunigern als Lichtquellen für Einfach- und Doppelpulse von einigen Yoktosekunden Dauer eignen.

Hochenergetische Schwerionenstöße, wie sie am RHIC in Brookhaven oder demnächst auch am LHC in Genf untersucht werden, können eine Quelle für Lichtblitze von einigen Yoktosekunden (10^-24 s, ys) Dauer sein - so lange wie das Licht benötigt, um einen Atomkern zu durchqueren. Das zeigen Berechnungen der Lichtemission sogenannter Quark-Gluon-Plasmen, die in derartigen Stößen für extrem kurze Zeitspannen entstehen. Unter bestimmten Umständen werden Doppelpulse erzeugt, mit denen eines Tages die Dynamik von Atomkernen "sichtbar" gemacht werden könnte.

Für hochpräzise Spektroskopie oder Strukturuntersuchungen von Molekülen werden möglichst kurze Lichtblitze mit möglichst niedriger Wellenlänge, also hoher Photonenenergie benötigt. Derzeit sind Röntgenblitze von einigen Attosekunden (10^-18 s) Dauer experimentell erreichbar. Noch kürzere Pulse mit noch höherer Photonenenergie würden die zeitliche und räumliche Auflösung verbessern, oder gar die Untersuchung von noch kleineren Strukturen wie z.B. Atomkernen ermöglichen. In sogenannten Pump-Probe-Experimenten werden mit zwei in genau steuerbarem Abstand aufeinander folgenden Pulsen schnelle Bewegungen wie in Zeitlupe beobachtet. Der erste Puls regt dabei das untersuchte System an, während der zweite Puls die Zeitentwicklung seit dem ersten Puls abfragt.

Abb.: Kollision von Schwerionen in einer großen Beschleunigeranlage (schematisch), bei der unter bestimmten Bedingungen Doppelblitze von einigen Yoktosekunden Dauer abgestrahlt werden. (Bild: MPI für Kernphysik)

Berechnungen am Max-Planck-Institut für Kernphysik zeigen nun, dass hochenergetische Schwerionenstöße in großen Teilchenbeschleunigern als Lichtquellen für die gewünschten Einfach- und Doppelpulse geeignet sind. Das ist auf die bemerkenswerten Eigenschaften eines Quark-Gluon-Plasmas zurückzuführen. Das Quark-Gluon-Plasma gilt als der Zustand der Materie, aus dem das Universum unmittelbar nach dem Urknall bestand. Darin sind die Temperaturen so hoch, dass selbst die Bausteine der Atomkerne, die Neutronen und Protonen, in ihre Bestandteile, die Quarks, aufgebrochen werden. Ein solcher Materiezustand kann heute in modernen Beschleunigeranlagen realisiert werden.

In der Kollision von Schwerionen - also Atomen schwerer Elemente, denen Elektronen entfernt wurden - bei relativistischen Geschwindigkeiten entsteht für einige Yoktosekunden ein solches Quark-Gluon-Plasma in Atomkerngröße (Abbildung 1). Es erzeugt neben vielerlei anderen Teilchen auch Photonen mit einigen GeV Energie, sogenannte Gammastrahlung. Diese hochenergetischen Lichtblitze sind so kurz wie die Lebensdauer des Quark-Gluon-Plasmas und bestehen aus nur wenigen Photonen.

Abb.: Zeitliche Entwicklung des Quark-Gluon-Plasmas. Die beiden als farbige Scheiben dargestellten Ionen kollidieren entlang der Stoßachse (schwarzer Doppelpfeil). Bild (a) zeigt den Zeitpunkt unmittelbar nach der Kollision. Das Plasma (oranger Bereich) strahlt durch gewellte Pfeile angedeutetes Licht in alle Richtungen aus, so dass ein erster Puls in Richtung des Detektors (grüner Halbkreis) entsteht. (b) Nach einiger Zeit bewirkt die innere Dynamik des Plasmas, dass das Licht bevorzugt senkrecht zur Flugrichtung der Ionen abgestrahlt wird. In Richtung des Detektors, der dicht bei der Stoßachse aufgestellt ist, wird in dieser Zeit kein Licht ausgesandt. In (c) strahlt das Plasma wieder in alle Richtungen, so dass der zweite Puls in Richtung des Detektors emittiert wird. (Bild: MPI für Kernphysik)

Die Forscher haben nun die Expansion und innere Dynamik des Quark-Gluon-Plasmas in ihrem zeitlichen Verlauf simuliert. Es zeigte sich, dass die Photonen zwischendurch nicht in alle Richtungen, sondern bevorzugt senkrecht zur Stoßrichtung abgestrahlt werden. Blickt ein Detektor nahezu entlang der Stoßachse, empfängt er deshalb in diesem Zeitraum praktisch nichts, sieht also insgesamt einen Doppelpuls (Abbildung 2). Durch geeignete Wahl von Stoßgeometrie und Beobachtungsrichtung sind die Doppelpulse im Prinzip gezielt variierbar. Somit eröffnen sie die Möglichkeit von zukünftigen Pump-Probe-Experimenten im Yoktosekundenbereich bei hohen Energien. Dies könnte zu einer zeitaufgelösten Beobachtung von Kernprozessen führen. Umgekehrt würde eine genaue Analyse der Gammablitze Rückschlüsse auf das Quark-Gluon-Plasma ermöglichen.

Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK)

KP