04.05.2020

Ungewöhnlicher Beweis für Quark-Gluon-Plasma

Materiezustand könnte ein bestimmtes Muster in Gravitationswellen hervorrufen.

Der modernen Teilchenphysik zufolge ist Materie im Inneren verschmelzender Neutronensterne so dicht, dass sie aufgelöst in ihre Elementar­teilchen vorliegen könnte. Dieser Materiezustand, das Quark-Gluon-Plasma, könnte ein bestimmtes Muster in Gravitations­wellen hervorrufen. Dies haben Physiker der Goethe-Universität und des Frankfurt Institute for Advanced Studies jetzt mithilfe von Super­computern berechnet. 

Abb.: Montage aus einer Computer­simulation verschmelzender Neutronen­sterne...
Abb.: Montage aus einer Computer­simulation verschmelzender Neutronen­sterne und dem Bild einer Schwerionen­kollision, die die Verbindung von Astro­physik und Kern­physik verdeut­licht. (Bild: L. R. Weih & L. Rezzolla, U. Frankfurt / CERN)

Neutronensterne gehören zu den dichtesten Objekten im Universum. Wenn zwei Neutronen­sterne miteinander kollidieren und zu einem hyper­massiven Neutronenstern verschmelzen, so wird die Materie im Kern dieses neuen Objekts unvorstellbar heiß und dicht. Physi­kalischen Berechnungen zufolge hätte dies zur Folge, dass sich Hadronen wie zum Beispiel Neutronen und Protonen – aus diesen Teilchen setzt sich die Materie in unserer Umgebung zusammen – in ihre Bestandteile Quarks und Gluonen auflösen und ein Quark-Gluon-Plasma bilden. 

2017 wurde erstmals entdeckt, dass verschmelzende Neutronen­sterne ein Signal in Form einer Gravitations­welle verursachen, die auf der Erde detektiert werden kann. Aus der Gravitations­welle lässt sich nicht nur etwas über Gravitation lernen, sondern auch über das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen. Bei der ersten Entdeckung solcher Gravitations­wellen 2017 wurden diese allerdings nicht über den Verschmelzungs­zeitpunkt hinaus aufgezeichnet. Dort setzt die Arbeit der Frankfurter Physiker an.

Die Wissenschaftler simulierten in einem Computer­modell verschmelzende Neutronen­sterne und das Produkt dieser Verschmelzung, um die Bedingungen zu untersuchen, unter denen ein Übergang von Hadronen zu einem Quark-Gluon-Plasma stattfinden könnte und wie sich dies auf die entstehende Gravitations­welle auswirken würde. Das Ergebnis: In einer bestimmten, späten Phase der Existenz des verschmolzenen Objekts fand ein Phasen­übergang zu einem Quark-Gluon-Plasma statt und hinterließ ein klares und charak­teristisches Muster im Gravitations­wellensignal. 

Luciano Rezzolla ist überzeugt: „Wir haben ein im Vergleich zu bisherigen Simulationen neues und wesentlich klarer zu detek­tierendes Muster in den Gravitations­wellen entdeckt. Wenn sich dieses Muster in den Gravitations­wellen findet, die wir von künftigen Neutronen­stern-Verschmelzungen empfangen, haben wir einen deutlichen Beweis für die Entstehung eines Quark-Gluon-Plasmas im heutigen Universum.“

U. Frankfurt / JOL

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