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QUARK-GLUON-PLASMA
Noch deutlich flüssiger als flüssig?
Redaktion / Pressemitteilung der TU Wien
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17. Januar 2012

Entsteht bei den Kollisionen von schweren Ionen am Large Hadron Collider am Genfer CERN die ideale Flüssigkeit? Theoretiker der TU Wien glauben zumindest, dass das so erzeugte Quark-Gluon-Plasma deutlich flüssiger sein kann, als es die bisherige Theorie zu erlauben scheint. Bei ihren Rechnungen halfen den Forschern komplizierte Gleichungen aus der Stringtheorie.

Blei-Ionen-Kollision

Bild einer Blei-Ionen-Kollision am CERN. Bild: TU Wien / CERN

Wie flüssig ist die perfekte Flüssigkeit? Diese Frage beschäftigt Teilchenphysiker an der TU Wien. Die "flüssigste aller Flüssigkeiten" ist nämlich nicht etwa Wasser, sondern das extrem heiße Quark-Gluon-Plasma, das bei energiereichen Teilchenkollisionen im Large Hadron Collider des CERN hergestellt wird. Neue Rechenergebnisse Wiener Physiker zeigen nun: Dieses Quark-Gluon-Plasma kann noch deutlich dünnflüssiger sein, als man das bisher für möglich hielt. Sie publizierten ihre Ergebnisse in der vergangenen Woche in der Fachzeitschrift Physical Review Letters, die die Arbeit als "Editors' Selection" sogar besonders hervorhob.

Wie dick- oder dünnflüssig eine Substanz fließt wird durch die Viskosität angegeben: Viskose Flüssigkeiten (etwa Honig) sind dickflüssig und haben starke innere Reibungskräfte, dünne Flüssigkeiten haben eine niedrige Viskosität, und Quantenflüssigkeiten wie suprafluides Helium können extrem kleine Viskositäten erreichen. Im Jahr 2004 sorgte ein theoretisches Ergebnis, nachdem die Quantentheorie eine absolute Untergrenze für Viskosität bedingen sollte, für Aufsehen. Mit Methoden der String-Theorie wurde für das Verhältnis von Viskosität zur Entropie-Dichte (ein Maß für die "Unordnung" in einer Flüssigkeit) der Wert h/4Pi (mit der Planck-Konstanten h) als unterste mögliche Schranke berechnet.

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Während etwa supraflüssiges Helium weit oberhalb dieser Schranke bleibt, wurde 2005 am Quark-Gluon-Plasma ein Wert nur knapp oberhalb dieser Schranke gemessen. Dieser Rekord für die Viskosität lässt sich allerdings von einem Quark-Gluon-Plasma in bestimmten Fällen noch unterbieten, wie Dominik Steineder vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien, im Rahmen seiner Doktorarbeit gemeinsam mit Professor Anton Rebhan herausfand.

Direkt berechnen lässt sich die Viskosität eines Quark-Gluon-Plasmas nicht. Sein Verhalten ist so kompliziert, dass man auf ganz besondere Tricks zurückgreifen muss, wie Rebhan erklärt: "Die Quantenfeldtheorie von Quark-Gluon-Plasmen lässt sich mit Hilfe der Stringtheorie mit der Physik von schwarzen Löchern in höheren Dimensionen in Zusammenhang bringen. Wir lösen also Gleichungen aus der Stringtheorie und legen die Ergebnisse dann auf das Quark-Gluon-Plasma um." Auf ganz ähnliche Weise wurde auch die bisher für gültig gehaltene untere Grenze für die Viskosität berechnet.

Allerdings nahm man in den bisherigen Berechnungen an, dass das Plasma symmetrisch ist und von allen Seiten gleich aussieht - also "isotrop" ist, wie man in der Physik sagt. "Ein Plasma, das bei einer Kollision in einem Teilchenbeschleuniger entsteht, ist aber ganz am Anfang nicht isotrop", so Rebhan. Diese Teilchen werden schließlich entlang einer bestimmten Richtung beschleunigt und zur Kollision gebracht - das dabei entstehende Quark-Gluon-Plasma zeigt also unterschiedliche Eigenschaften, abhängig von der Richtung, aus der man es betrachtet.

Die TU-Physiker fanden nun eine Möglichkeit, diese Richtungsabhängigkeit in die Formeln mit einzubauen - und völlig überraschend zeigte sich, dass dadurch die Viskosität nicht mehr nach unten beschränkt ist. "Die Viskosität hängt noch von einigen anderen physikalischen Parametern ab - kann aber niedriger sein als der Wert, den man bisher für die absolute Untergrenze hielt", erklärt Steineder. Die jetzt am CERN begonnenen Quark-Gluon-Plasma-Experimente werden es erlauben, diese theoretischen Vorhersagen zu testen.

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siehe auch
Quantenphysik: Wie ein eisiger Blick zum Urknall - 21. März 2011
Teilchenphysik: Kalte Atome als Modell für Urmaterie - 27. Januar 2009
Teilchenphysik: Forscher kommen Ursuppe näher - 16. Juli 2003
Teilchenphysik: Überraschung beim Mini-Urknall - 13. November 2002
Teilchenphysik: Überraschung mit Gold-Ionen - 7. Mai 2001
Teilchenphysik: Ein Fehler im Standardmodell - 12. Februar 2001
Links im WWW
TU Wien
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