Ein Rätsel lösen, das so alt ist wie der Urknall
Vor beinahe 14 Milliarden Jahren entstand unser Universum durch den Urknall. In diesen ersten Momenten bestand alles aus einem extrem heißes Plasma aus Elementarteilchen, das sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnte. Die meisten davon waren Quarks, die Bestandteile der sichtbaren Materie, und Gluonen, die, wie ihr Name schon andeutet, eine klebstoffartige starke Kernkraft zwischen Quarks vermitteln. Forschende können diese Bedingungen künstlich nachbilden, indem sie schwere Ionen bei den höchsten verfügbaren Kollisionsenergien in Teilchenbeschleunigern kollidieren lassen, und haben Beweise für die Existenz dieses extremen Materiezustands gefunden, der als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bezeichnet wird. Während jedoch angenommen wurde, dass sich das QGP wie ein schwach wechselwirkendes Gas verhält, haben Experimente mit schweren Ionen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven, USA, und am Large Hadron Collider (LHC) am CERN verdeutlicht, dass er sich eher wie eine stark gekoppelte Flüssigkeit verhält. Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts QGP-MYSTERY untersuchten Forschende die Eigenschaften des QGP bei den bisher höchsten Energien am LHC, um ein tieferes Verständnis dieses rätselhaften Materiezustands zu gewinnen. „Die wichtigsten Auswirkungen sind neue Erkenntnisse über die Eigenschaften von QGP, insbesondere über die Temperaturabhängigkeit seiner Scherviskosität“, erklärt Ante Bilandzic, Physiker an der Technischen Universität München und Projektkoordinator von QGP-MYSTERY. „Da das Universum wenige Mikrosekunden nach dem Urknall fast vollständig mit QGP gefüllt war, vertieft dies unser Verständnis dieser weit entfernten Epoche in der Entwicklung unseres Universums“, fügt er hinzu.
Anisotrope Strömungen messen
Bilandzic leitete das QGP-MYSTERY-Team bei der Untersuchung eines physikalischen Phänomens, das als anisotrope Strömung bekannt ist, um mehr über die Eigenschaften des QGP zu erfahren. Da zwei schwere Ionen leicht dezentral zusammenstoßen, ist die Form des Zusammenstoßes ungleichmäßig. Diese Ungleichmäßigkeit oder Anisotropie überträgt sich darauf, wie die Teilchen miteinander interagieren und sich bewegen – ein Effekt, der als anisotrope Strömung bekannt ist.
Mathematischen Formalismus an die anisotrope Strömung angleichen
Das Team hat zudem komplexe mathematische Formalismen, sogenannte multivariate Kumulanten, mit der Art und Weise in Einklang gebracht, wie Forschende anisotrope Strömungen untersuchen. Dies führte zur Entwicklung besserer Instrumente zur Analyse der QGP. Die neuen „Observablen“ bieten neue Möglichkeiten zur Messung des Teilchenflusses, einschließlich symmetrischer und asymmetrischer Messungen höherer Ordnung. „Da jede dieser neuen Observablen alle grundlegenden Eigenschaften von multivariaten Kumulanten erfüllt, trägt jede von ihnen per Definition ein Stück unabhängiger Information über die Eigenschaften von QGP“, sagt Bilandzic.
Erste Experimente am Large Hadron Collider
Im Rahmen der ALICE-Kollaboration haben Forschende bereits die ersten Messungen mit diesen neuen Observablen am LHC durchgeführt und damit unser Wissen über das QGP vertieft. Bislang wurden projektintern insgesamt 13 Publikationen in Fachzeitschriften veröffentlicht: neun theoretische und vier experimentelle Arbeiten für die ALICE-Kollaboration. Dazu gehören: die Entwicklung eines neuen Paradigmas für multivariate Kumulanten und entsprechende neue Strömungobservablen; die ersten experimentellen Messungen von symmetrischen Kumulanten höherer Ordnung und asymmetrischen Kumulanten von Strömungamplituden; und die ersten analytischen Lösungen für das „kombinatorische Hintergrundproblem“, das neue Einblicke in die korrekte Interpretation von Strömungsmessungen in kleinen Kollisionssystemen bietet. Bilandzic und das Team planen, das QGP am LHC weiter zu erforschen, und zwar mit Datensätzen, die um einige Größenordnungen größer sind: „Dies wird erstmals Messungen von Observablen ermöglichen, die bisher aufgrund begrenzter Statistiken nicht durchführbar waren.“
Schlüsselbegriffe
QGP-MYSTERY, Urknall, Geheimnis, Quark, Zustand, Materie, LHC, Teilchen