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Welt der Wissenschaft: ASTROPHYSIK: Das Universum im Labor

Noch sind die Experimente am Large Hadron Collider nicht abgeschlossen – schon bauen die Forscher eine Einrichtung auf, die weitere Einblicke in den Aufbau der Materie verspricht. Bis 2016 entsteht beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR). Mit ihr lassen sich die Materiezustände kurz nach dem Urknall und die Bedingungen in Supernovae und Neutronensternen erforschen.
Wenige Mikrosekunden nach dem Urknall, der sich vor 13,7 Milliarden Jahren ereignete, befand sich das Universum in einem extrem dichten und heißen Zustand. Die Atome, aus denen die uns heute vertraute Materie besteht, gab es noch nicht. Nicht einmal die Bausteine, aus denen sich ein Atomkern zusammensetzt, die Protonen und Neutronen, waren in dieser frühen Phase vorhanden. Welche Eigenschaften hatte die Materie unter diesen extremen Bedingungen? Wir wissen heute, dass sich Protonen und Neutronen aus fundamentaleren Bausteinen zusammensetzen, den Quarks. Zwischen ihnen wirkt die stärkste bekannte Kraft, die deshalb auch »starke Wechselwirkung « genannt wird. Sie bindet die Quarks zu Protonen und Neutronen und ist außerdem für den Zusammenhalt der Atomkerne verantwortlich. Doch nicht einmal diese starke Kraft war so früh nach dem Urknall in der Lage, die Bausteine der Atome zu bilden. Für diese kurze Phase in der Entstehung des Kosmos sagt die Theorie der starken Wechselwirkung, die so genannte Quantenchromodynamik, einen neuartigen Materiezustand voraus: eine Ursuppe aus Quarks und Gluonen, auch »Quark-Gluon-Plasma« genannt. Darin sind Gluonen diejenigen Teilchen, welche die starke Wechselwirkung zwischen den Quarks vermitteln: Sie sind die Botenteilchen der starken Kernkraft. Als sich das Universum abkühlte, büßten die Quarks ihre Freiheit ein: Sie wurden zu Protonen und Neutronen gebunden – festgehalten durch die Gluonen, die ihre Bezeichnung vom englischen Wort glue (zu Deutsch: Leim) erhielten. Wenn es das Quark-Gluon-Plasma heute nicht mehr gibt, wie können die Forscher heute diese Frühphase des Kosmos erkunden?

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