TEILCHENPHYSIK
Überraschung beim Mini-Urknall
von Stefan Deiters
astronews.com
13. November 2002

Wissenschaftlern ist es gelungen, im Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) des Brookhaven National Laboratory Temperaturen zu erzeugen, die es zuletzt Mikrosekunden nach dem Urknall im Universum gab. Eigentlich dachten die Forscher, dass sie die dort auftretenden Wechselwirkungen zwischen Energie, Materie und der starken Kernkraft gut verstanden hätten, doch lieferte eine gründliche Analyse mehr Fragen als Antworten. Fehlt am Ende ein wichtiger Baustein, um zu verstehen, wie das Universum funktioniert?

Luftaufnahme des Brookhaven National Laboratory. Foto: Brookhaven National Laboratory

"Es sind immer die Dinge, die man nicht erwartet, die für Fortschritte in der Wissenschaft sorgen", meinte Steven Manly, Professor für Physik und Astronomie an der Universität von Rochester und einer der Autoren eines Beitrags in der Fachzeitschrift Physical Review Letters, in dem die überraschenden Ergebnisse vorgestellt werden. "Die grundlegende Natur der Wechselwirkung in dem heißen und sehr dichten Medium - oder zumindest das, was wir davon sehen können - scheint sich mit dem Blickwinkel zu ändern unter dem wir sie betrachten. Und das verstehen wir absolut nicht. Wir haben hier ein paar neue Puzzle-Teile bekommen und sind jetzt gerade dabei herauszufinden, wie diese ins Gesamtbild passen."

Im Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) haben Manly und seine Kollegen versucht hinter die Geheimnisse der elementaren Kraft zu kommen, die Atome im Inneren zusammenhält. Dazu haben sie zwei Goldatome mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander geschossen und dadurch ein so genanntes Quark-Gluonen-Plasma erzeugt, einen Materiezustand, bei dem die Temperatur viele Tausend Mal höher ist als im Inneren der heißesten Sterne. Teilchen entweichen aus diesem Plasma, kollidieren dabei aber mit anderen Teilchen. Wie dies geschieht wird durch die starke Kernkraft bestimmt. Beobachtet man also den Teilchenstrom aus dem Plasma heraus, kann man etwas über die starke Kernkraft bei diesen Temperaturen erfahren.

Um ihre Beobachtungen zu erleichtern, ließen die Physiker die Atomkerne nicht frontal aufeinanderprallen, sondern leicht versetzt. Das führte zu einer Plasmawolke, die nicht kugelförmig ist, sondern eher wie ein amerikanischer Fußball aussieht. Teilchen, die zu den längeren Enden hinauswandern, müssen also mehr Plasma durchlaufen als Teilchen, die den kürzeren Weg nutzen. Aus den Unterschieden in der Teilchenzahl, die aus den beiden Regionen austraten, erhofften sich die Forscher mehr über die Eigenschaften der heißen Materie und schließlich auch über die starke Kernkraft selbst zu erfahren.

Doch die Forscher erlebten eine Überraschung: Direkt an dem Ort, wo die Kollision stattfand, traten tatsächlich die erwarteten Unterschiede auf, doch etwas von dem exakten Punkt der Kollision entfernt, gab es keinerlei Differenz mehr. Dies rüttelte an einigen Grundüberzeugungen der Physiker: "Als wir die Ergebnisse erstmals auf einer Tagung präsentierten, wollte uns das Publikum nicht glauben", so Manly. "Aber wir haben über ein Jahr lang alles noch einmal gründlich überarbeitet und es bleibt bei dem Befund."

Außer der Tatsache, dass den Wissenschaftlern offenbar ein entscheidendes Puzzle-Teilchen in der Theorie fehlt, hat das Ergebnis ganz konkrete Bedeutung für solche Kollisions-Experimente: Es reicht offenbar nicht mehr, nur an dem Punkt zu messen, an dem die Partikel aufeinander getroffen sind: Man muss das gesamte Plasma vermessen, was den Rechenbedarf bei den Auswertungen dramatisch vergrößern dürfte.

Das Verständnis solcher Kollisions-Experimente ist für die grundlegende Forschung von erheblicher Bedeutung: Genau wie aus Wasserdampf Wasser wird, sollte aus dem Plasma einmal normale Materie werden. Ein Verständnis der Vorgänge in dem Quark-Gluonen-Plasma könnte also helfen zu verstehen, wie das Universum überhaupt entstanden und beschaffen ist. "Das Verständnis der Dynamik dieser Kollisionen ist wirklich extrem wichtig, um die Informationen zu bekommen die wir haben wollen", so Manly. "Und vielleicht haben wir hier gerade einen Hinweis gefunden, dass etwas ganz Fundamentales anders ist - etwas, dass wir nicht verstehen. Zumindest noch nicht."