Gluonen sind die Trägerteilchen einer der vier Grundkräfte der Natur, der starken Wechselwirkung. Unter bestimmten Bedingungen – beispielsweise nach dem Beschleunigen schwerer Ionen unter hohen Energien – reagieren die Gluonen miteinander und es entsteht ein Gluonenkondensat. Die ersten Eigenschaften dieses extrem kurzlebigen Zustands haben jetzt Physiker genauer bestimmt. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.
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Die Kerne der Atome sind aus Protonen und Neutronen aufgebaut. Diese so genannten Baryonen bestehen aus je drei Quarks als Elementarbausteinen. Zwischen den Quarks gibt es eine starke Wechselwirkung – eine von vier Grundkräften in der Natur. Sie wird durch die sogenannten Gluonen getragen. Als subatomare Klebeteilchen sind sie verantwortlich für die Anziehung der Quarks untereinander und damit indirekt auch für den Zusammenhalt von Neutronen und Protonen in den Atomkernen, also letztlich für die Stabilität der Materie. Vor 30 Jahren konnten Wissenschaftler am Forschungszentrum DESY in Hamburg die Existenz der Gluonen – von englisch glue für Klebstoff –
nachweisen.
Inzwischen ist bekannt, dass die Dichte der Gluonen unter bestimmten Voraussetzungen – dazu gehören sehr hohe Energien der kollidierenden Partikel – stark anwächst. Dieser Effekt beruht auf der Selbstwechselwirkung der Klebeteilchen. Gluonen können sich jedoch nicht nur vermehren, sondern sich bei sehr hoher Dichte auch wieder vereinigen. In theoretischen Annahmen geht die Wissenschaft deshalb davon aus, dass dabei kurzfristig eine Sättigung erreicht wird: Es entsteht für ein Zeitintervall von 10 hoch -23 Sekunden – zum Vergleich: eine Nanosekunde sind 10 minus -9 Sekunden – ein neuer Materiezustand, das Gluonenkondensat.
Modell und Beschleuniger-Daten kombiniert
Yacine Mehtar-Tani und Georg Wolschin vom Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg haben Anzeichen für das Gluon-Sättigungsverhalten untersucht. Ihre Forschungen basieren auf den Arbeiten zahlreicher Wissenschaftler, die in den vergangenen Jahren das Verhalten der Gluonen im Detail studiert haben. Im Mittelpunkt der aktuellen Untersuchung stehen Baryonenverteilungen in Schwerionen-Reaktionen von Gold- und Bleikernen bei sehr hohen relativistischen Energien. Ein neu entwickeltes theoretisches Modell wurde dabei mit experimentellen Daten des europäischen Forschungszentrums CERN und des Brookhaven- Nationallaboratoriums in den USA verglichen.
„Vorwärtswinkel“ verraten Gluonensättigung
Bei einer Kollision von Schwerionen entstehen aus der vorhandenen Energie Tausende stark wechselwirkender Teilchen und ihre Antiteilchen. Die Differenz von Baryonen- und Antibaryonenverteilung wird als Funktion des Streuwinkels gemessen. Dabei sind die Ereignisse bei kleinen Winkeln, so genannten Vorwärtswinkeln, von besonderer Bedeutung. Bei bestimmten Streuwinkeln hat die Baryonenverteilung Maxima, deren Lage von der Bildung des Gluonenkondensats
abhängt.
Durch eine präzise Lage-Messung lässt sich im Prinzip bestimmen, ob die Gluonen-Sättigung erreicht wird. Mit ihren Forschungen ist es den Heidelberger Physikern zugleich gelungen, die Eigenschaften des Gluonenkondensats genauer zu bestimmen. Die bisherigen Experimente ermöglichen jedoch bei sehr hohen Energien noch keine komplette Messung der Maxima.
„Zwar können auf der Basis unserer Forschungsergebnisse auch aus den Messdaten für Baryonen bei großen Winkeln von etwa 90 Grad einige Rückschlüsse auf das Gluonenverhalten gezogen werden, aber die Messung der Maxima bei kleinen Winkeln wäre sehr viel aussagekräftiger“, erklärt Georg Wolschin.
Diese wird allerdings auch bei künftigen Untersuchungen am LHC nur nach einer Erweiterung der jetzigen Apparaturen möglich sein, , so der Heidelberger Wissenschaftler. Ziel der Forschungen ist der indirekte Nachweis des Gluonenkondensats, um so eine zentrale Frage der Teilchenphysik zu klären.
(Universität Heidelberg, 27.07.2009 – NPO)
