Rasant wirbelndes Quark-Gluon-Plasma

Unmittel­bar nach dem Urknall entstand ein heißes Plasma aus Gluonen und Quarks, die sich darauf zu schweren Hadronen vereinigten. Neue Einblicke in den exotischen Materie­zustand eines Quark-Gluon-Plasmas gewann nun ein inter­nationales Team von Physikern am Ionen­beschleuniger Rela­tivistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Upton. Dabei entdeckten sie die bislang schnellsten Strudel überhaupt, die nach dem Zusammen­stoß von Goldionen entstanden. Von diesem Experiment erwarten die Wissen­schaftler neue Erkennt­nisse über die starke Wechsel­wirkung und die Entstehung von Masse.

Physiker beschreiben ein Quark-Gluon-Plasma als nahezu perfekte Flüssig­keit mit ver­schwindend geringer Visko­sität. „Und genau diese Flüssig­keit wollen wir viel besser verstehen“, sagt Michael Lisa von der Ohio State Uni­versity und Mitglied der STAR-Kolla­boration des RHIC am Brook­haven National Labo­ratory. Dazu wurden in dem Beschleu­niger Goldionen fast bis auf Lichtge­schwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Protonen und Neutronen der Gold­atomkerne zerfielen in einzelne Quarks und ihre Binde­teilchen, die Gluonen. Für extrem kurze Momente bildete sich ein Quark-Gluonen-Plasma, in dem mehr als 100.000 Mal höhere Tempera­turen als im Inneren der Sonne herrschten.

Erstmals konnten die Physiker auch die rasante Rotations­bewegung dieser extrem dünn­flüssigen Materie – Vortizität oder auch Wirbel­stärke genannt – auf bis zu zehn Milliarden Billionen Umdre­hungen pro Sekunde bestimmen. Direkt ließen sich diese Strudel allerdings nicht ana­lysieren. Doch Michael Lisa und seine Kollegen suchten mit haus­hohen Detek­toren – Spurendrift­kammer und Flugzeit-Spektro­meter – um den Kollisions­punkt nach Hinweisen für das Verhalten des Quark-Gluon-Plasmas. Ihre Suche fokus­sierten sie auf das aus dem Quark-Gluonen-Plasma entstandene Lambda-Hyperon; ein Hadron, das sich aus je einem Up-, Down und Strange-Quark zusammen­setzt.

Das selbst extrem schnell ro­tierende Lambda-Hyperon zerfiel in kür­zester Zeit weiter in ein Proton und ein Pion. Aus der Messung von Pola­risation und Dreh­moment dieser Protonen konnten die Physiker auf den Spin des Lambda-Hyperons und schließlich auf die Vor­tizität des Quark-Gluonen-Plasmas zurück­schließen. „Verglichen mit anderen Systemen in der Natur, ist das Quark-Gluonen-Plasma die am schnellsten rotierende Flüssig­keit, die jemals beobachtet wurde“, schreibt Hannah Petersen, Kern­physikerin an der Universität Frankfurt, in einem beglei­tenden Kommentar.

Mit diesen Messungen entdeckte die STAR-Kolla­boration nicht nur die schnellsten, jemals beo­bachteten Strudelbewegungen. Sie erwarten auch wichtige Impulse für die Kernphysik. Denn nun können die Theorien zur starken Wechsel­wirkung zwischen den Quarks, zur Entstehung von Protonen, Neutronen und im Endeffekt aller Masse tragenden Elemente besser überprüft werden. Auch über die Entstehung extremer Magnet­felder bei den Ionen­kollisionen sollen diese Kollisions­versuche Aufschluss liefern.

Viele weitere Experi­mente mit Quark-Gluonen-Plasmen und noch empfind­licheren Detektoren werden nötig sein, um die Details der starken Wechsel­wirkung und die frühe Phase nach dem Urknall besser verstehen zu können. So könnten in naher Zukunft weitere Versuche mit Quark-Gluonen-Plasmen nicht nur am Ionen­beschleuniger in Upton, sondern auch am neuen FAIR-Beschleu­niger in Darmstadt und in einigen Jahren am NICA-Expe­riment im rus­sischen Dubna folgen.

Jan Oliver Löfken

JOL