Quark-Gluonen-Plasma entsteht überrascherweise auch bei Protonen-Blei-Kollisionen Kleinste kosmische Ursuppe erzeugt - scinexx | Das Wissensmagazin
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Quark-Gluonen-Plasma entsteht überrascherweise auch bei Protonen-Blei-Kollisionen

Kleinste kosmische Ursuppe erzeugt

Im Quark-Gluon-Plasma werden die Bausteine der Protonen und Neutronen frei. Hier schematixsch nahc einer Kollision von zwei Bleikernen. © CERN

Überraschung am LHC: Physiker haben das bisher kleinste Tröpfchen eines Quark-Gluon-Plasmas erzeugt – den Zustand der Materie direkt nach dem Urknall. Es entstand bei Kollisionen von Protonen und Blei-Ionen – und damit bei einem bisher als zu klein und zu schwach geltenden Ereignis. Die Tatsache, dass das Quark-Gluon-Plasma doch bei diesen asymmetrischen Teilchentreffern entsteht, hilft dabei, diesen noch immer rätselhaften Urzustand der Materie aufzuklären.

Wenige Millionstel Sekunden nach dem Urknall gab es weder Atome noch die Elementarteilchen, wie wir sie heute kennen. Stattdessen bewegten sich Quarks und Gluonen frei in einem Plasma umher – einer Art kosmischen Ursuppe. Dieses ultraflüssige Quark-Gluon-Plasma lässt sich unter anderem durch Kollisionen schwerer Blei-Ionen im Teilchenbeschleuniger LHC am CERN erzeugen. Für wenige Sekundenbruchbruchteile reicht die dabei freigesetzte Energie aus, um die Atome in diesen Urzustand zurück zu versetzen.

Zu klein für ein Quark-Gluon-Plasma?

Doch nun haben Physiker am CERN auch da ein Quark-Gluon-Plasma erzeugt, wo sie es absolut nicht erwarteten: Im Detektor CMS bei den extrem asymmetrischen Beschuss von Blei-Ionen mit Protonen. „Vor diesen Ergebnissen dachten wir, dass das bei diesen Kollisionen erzeugte Medium viel zu klein ist, um ein Quark-Gluon-Plasma zu produzieren“, erklärt Quan Wang von der University of Kansas. „Deshalb haben wir sie als Referenz für Kollisionen untersucht, bei denen eben kein solches Plasma entsteht.“

Denn bei einer typischen Blei-Blei-Kollision im LHC entstehen bis zu 25.000 subatomare Zerfallsprodukte. Trifft aber ein Proton auf einen Bleikern, dann erzeugt dies gerade einmal 1.000 Elementarteilchen, weil das Volumen des Protons zu klein ist, um viel vom Bleikern zu zerschlagen. Die Zone, in der Energie und Teilchendichte hoch genug sind, ist daher viel zu klein, um ein Quark-Gluon-Plasma zu produzieren – so dachte man bisher.

Dieses wellenförmige Muster von Teilchenkorrelationen nach einer Proton-Bleikern-Kellision spricht für ein Quark-Gluon-Plasma. © CMS-Kollaboration/ CERN

Es geht auch asymmetrisch

Aber eine neue Auswertung von mehr als 50 Milliarden Protonen-Bleikern-Kollisionen in der ersten Laufzeit des LHC belehrt die Teilchenphysiker nun eines Besseren. Denn auch in diesen winzigen Kollisionszonen registrierte der CMS-Detektor am LHC, dass sich bestimmte Zerfallsprodukte genauso verhalten wie im größeren Quark-Gluon-Plasma der Blei-Blei-Kollisionen.

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Obwohl sich dieser Materiezustand wie eine Flüssigkeit ohne innere Reibung verhält, sind die Teilchen darin stärker miteinander verbunden als beispielsweise in einem Gas. Und genau diese subtilen Verbindungen haben die Physiker nun erstmals auch direkt nach den Proton-Blei-Kollisionen entdeckt. „Die Analyse deutet darauf hin, dass entgegen der Erwartungen auch bei diesen asymmetrischen Proton-Blei-Kollisionen erzeugt werden kann“, so Wang.

„Kleinstmögliche Ursuppe“

Bei diesen Kollisionen entsteht damit sozusagen der winzigste mögliche Tropfen dieser kosmischen Ursuppe. Nach Ansicht der Forscher könnten diese Experimente dazu beitragen, diesen noch immer rätselhaften Urzustand der Materie weiter aufzuklären.

„Es gibt noch so vieles, was wir über die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas nicht verstehen“, so Wang. „Diesen Zustand nun auch in Proton-Blei-Kollisionen erzeugen zu können, hilft uns, die Bedingungen für seine Existenz noch näher bestimmen und eingrenzen zu können.“ (Physical Review Letters, 2015; doi: 10.1103/PhysRevLett.115.012301)

(University of Kansas, 07.09.2015 – NPO)

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