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Teilchenphysik: Quarksee im Feuerball

Wenn schwere Ionen heftig genug aufeinander prallen, sollten sich die enthaltenen Kernteilchen in ihre Bestandteile – Quarks und Gluonen – auflösen. Die Analyse von Zusammenstößen zwischen Gold­atomen lieferte jetzt den bisher überzeugendsten Beleg dafür.


Seit mehr als zwei Jahrzehnten suchen Physiker nun schon nach der exotischen Materieform, aus der nach allgemeiner Ansicht das Universum Sekundenbruchteile nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren bestand. Damals herrschten derart hohe Temperaturen, dass Quarks und Gluonen, die sich spä-ter zu Protonen und Neutronen – den Grundbestandteilen der Materie – vereinigten, noch frei wie in einer Art See umherschwirrten: dem so genannten Quark-Gluon-Plasma. Diese Schlussfolgerung ergibt sich jedenfalls aus der noch immer gültigen Standardtheorie der Elementarteilchen.

Doch Physiker glauben letztlich nur, was sie im Experiment nachvollziehen können. Deshalb ist die Erzeugung eines Quark-Gluon-Plasmas schon seit langem ein mit großem Nachdruck verfolgtes Ziel an mehreren Teilchenbeschleunigern weltweit. Denn die einzige Chance, diese exotische Materie heute experimentell zu reproduzieren, besteht darin, schwere Atomkerne mit hohen Geschwindigkeiten aufeinander prallen zu lassen.

Allerdings laufen diese Stöße so schnell ab, dass der "Feuerball", in den sich Teile der kollidierenden Kerne verwandeln, kaum Zeit findet, wenigstens stellenweise jenen thermodynamischen Gleichgewichtszustand anzunehmen, der die Voraussetzung für die Entstehung eines Quark-Gluon-Plasmas ist. Alles in allem sind die Anforderungen beachtlich: Es gilt, in einem mit der Größe des Kerns vergleichbaren Raumbereich für mindestens die Dauer der Wechselwirkungszeit von etwa 10-23 Sekunden Temperaturen zu erzeugen, die einige hunderttausendmal höher sind als die etwa 16 Millionen Kelvin im Innern der Sonne, und Energiedichten zu erzielen, welche diejenigen in gewöhnlichen Atomkernen um das Dreißigfache oder mehr übersteigen.

Auf frühe Experimente am Bevalac-Beschleuniger des Lawrence Berkeley Nationallaboratoriums in Kalifornien folgten ab 1994 Versuche mit Bleistrahlen am Super-Protonensynchrotron des europäischen Kernforschungszentrums Cern in Genf. Sie lieferten bereits erste Anzeichen für die Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas – beispielsweise eine verringerte Bildungsrate von so genannten J/Psi-Mesonen (Spektrum der Wissenschaft 4/2000, S. 12).

Sehr überzeugend war das allerdings noch nicht. Deshalb begannen im Jahre 2000 am Schwerionen-Collider RHIC des Brookhaven-Nationallaboratoriums in Upton (US-Bundesstaat New York) Experimente mit Goldstrahlen bei noch wesentlich höheren Energien. An diesem Beschleuniger wetteifern seither die vier internationalen Kollaborationen Brahms, Phenix, Phobos und Star um die beweiskräftigsten Resultate. Bei der Analyse ihrer Daten habe ich nun einen relativ überzeugenden Beleg dafür gefunden, dass wirklich vorübergehend ein Quark-Gluon-Plasma entstanden ist.

Was erwarten die Experimentatoren an den Teilchenschleudern? Im Innern der beiden schweren Kerne sollten beim Zusammenprall so hohe Energien und Temperaturen entstehen, dass sich die enthaltenen Protonen und Neutronen auflösen. Dabei würden ihre Bestandteile freigesetzt: je drei Quarks mitsamt den Gluonen, die als "Austauschteilchen" die Wechselwirkung zwischen ihnen vermitteln. Diese könnten dann vorübergehend – wie kurz nach dem Urknall – losgelöst und ungebunden umherschwirren, sich allerdings nicht voneinander entfernen, da ihre gegenseitige Anziehung mit ihrem Abstand zunimmt: Ein Quark-Gluon-Plasma wäre entstanden.

Aufschlussreiche Kollisionsprodukte

Direkt ist dieser Zustand allerdings nicht nachweisbar: Freie Quarks lassen sich nicht beobachten, sondern vereinigen sich vor jeder direkten Messung mit ihresgleichen zu größeren Teilchen. Das geschieht auch bei den Stoßexperimenten im Teilchenbeschleuniger, während sich der zunächst entstandene heiße, dichte Feuerball ausdehnt und dabei abkühlt. Die Sekundärteilchen stieben dann in verschiedene Richtungen davon. Dabei sollten sie sich in Art, Zahl, Geschwindigkeit und Richtung von denjenigen Kollisionsprodukten unterscheiden, die entstehen, wenn kein Quark-Gluon-Plasma als Zwischenzustand auftritt.

Die Analyse sämtlicher Reaktionsprodukte der Kollision in allen Winkelbereichen ist allerdings extrem aufwendig, wenn nicht unmöglich. Deshalb beschränken sich die Wissenschaftler auf ganz bestimmte Messgrößen, die ihnen besonders aussagekräftig erscheinen. Eine Möglichkeit ist beispielsweise, die "Transversalimpulse" zu analysieren, also die Teilchenimpulse senkrecht zur Strahlrichtung.

Dies haben die vier Kollaborationen am RHIC für die Gold-Gold-Stöße getan. Tatsächlich fand sich dabei im Vergleich zu früheren Daten von Kollisionen zwischen Protonen (unter Berücksichtigung der größeren Teilchenzahl) eine auffällige Abnahme von Partikeln mit hohem Transversalimpuls. Dies lässt sich als Hinweis auf ein Quark-Gluon-Plasma deuten. Ein solches Plasma kann nämlich hochenergetische Quarks, die Rücken an Rücken entstanden sind und in entgegengesetzter Richtung auseinander fliegen, stark abbremsen oder sogar absorbieren, bevor sie einen messbaren Schauer an Sekundärteilchen erzeugen.

Für diese Interpretation spricht auch der Vergleich zwischen Gold-Gold-Stößen und Kollisionen von Gold- mit den wesentlich kleineren Deuterium-Kernen. Im letzteren Fall reicht die Aufprall-Energie nicht aus, die Materie in einem ausgedehnten Raumbereich stark genug aufzuheizen, dass ein Quark-Gluon-Plasma entsteht. Entsprechend findet man kei-ne verringerte Anzahl von Teilchen mit hohem Transversalimpuls. Eine Zusammenfassung dieser Ergebnisse steht in vier Artikeln, die Mitte September bei der Zeitschrift "Physical Review Letters" erschienen sind (Bd. 91, 072302/3/4/5).

Ich selbst habe dagegen "longitudinale" Variable analysiert: die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen in Richtung der Primärstrahlen ("Physics Letters B", 4.9.2003, S. 67). Dabei verglich ich die experimentellen Daten mit der Vorhersage eines so genannten Relativistischen Diffusionsmodells, das die Nichtgleichgewichts-Situation auf dem Weg hin zum thermodynamischen Gleichgewicht beschreibt. Es wurde von mir entwickelt und von Gruppen in Japan, Italien und Polen aufgegriffen beziehungsweise wenig später unabhängig aufgestellt.

Eine wahre Teilchenflut

An der Kollision zwischen zwei Gold-Kernen sind sehr viele Teilchen beteiligt. Zum einen enthält Gold selbst bereits 79 Protonen und 118 Neutronen. Zum anderen materialisiert sich die enorme Aufprall-Energie gemäß der Energie-Masse-Äquivalenz der Relativitätstheorie in zahllosen Quarks und Gluonen, die sich schließlich zu etwa 4500 neuen geladenen und vielen weiteren neutralen Partikeln vereinigen. Daher verzichtet das Relativistische Diffusionsmodell darauf, das individuelle Verhalten jedes einzelnen Teilchens beschreiben zu wollen, und liefert stattdessen Mittelwerte und Schwankungsbreiten für die Merkmale aller Teilchen einer bestimmten Sorte.

Meiner theoretischen Analyse lagen Daten der Brahms-Kollaboration zu Grunde. Sie beziehen sich auf die Anzahl der beim Stoß erzeugten Netto-Protonen (Differenz zwischen Protonen und Antiprotonen) als Funktion der Geschwindigkeit oder genauer der Rapidität, die bei fast lichtschnellen Teilchen, die relativistische Effekte zeigen, die geeignetere Messgröße ist.

Relativ dicht bei den Geschwindigkeitswerten der beiden aufeinander treffenden Goldstrahlen erreicht die Anzahl der Netto-Protonen jeweils ein Maximum. Das Relativistische Diffusionsmodell beschreibt die Lage der Maxima, und wie sie sich auf Grund von Diffusionsprozessen durch Wechselwirkung mit anderen Teilchen und durch das Erzeugen neuer Partikel verbreitern. Bei der vergleichsweise niedrigen Energie der Experimente mit Blei-Kernen am Cern von ungefähr 17 Milliarden Elektronenvolt Schwerpunktsenergie pro Teilchen gibt es die Daten sehr gut wieder. Hinweise auf Quark-Gluon Materie sind dort demnach nicht zu erkennen.

Bei der höheren RHIC-Energie von 200 Milliarden Elektronenvolt pro Teilchen dagegen verhält es sich anders. Hier liegen die Messpunkte bei relativ langsam in Strahlrichtung bewegten Teilchen deutlich über den Werten, die das Relativistische Diffusionsmodell für den Nichtgleichgewichtsfall vorhersagt. Das lässt sich nur erklären, wenn man annimmt, dass etwa 14 Prozent der Teilchen in der extrem kurzen Wechselwirkungszeit von etwa 10-23 Sekunden ein lokales thermodynamisches Gleichgewicht erreichen. Die plötzliche Zustandsänderung ist dabei typisch für einen Phasenübergang: Analog geht Eis zum Beispiel am Schmelzpunkt abrupt vom festen in den flüssigen Zustand über.

Das Ergebnis für zentrale Gold-Gold-Stöße lässt sich demnach als vorübergehende lokale Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas interpretieren. Noch direktere Anzeichen für den Übergang in diesen exotischen Materiezustand dürften sich nur schwer finden lassen. Ihn genauer zu untersuchen, wird nun die wesentliche Aufgabe der weiteren Experimente am Schwerionen-Collider RHIC und ab 2007 am Large Hadron Collider LHC des Cern sein.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 2003, Seite 21
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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