Die schnellsten Strudel der Welt

Kollisionen von Goldionen erzeugen ein rasant rotierendes Quark-Gluon-Plasma – Neue Aufschlüsse über die Entstehung von Masse erwartet
Schnellste Strudel der Welt: Illustration eines rasant rotierenden Quark-Gluonen-Plasmas, das nach dem Zusammenstoß von Goldionen entstand.
Schnellste Strudel der Welt: Illustration eines rasant rotierenden Quark-Gluonen-Plasmas, das nach dem Zusammenstoß von Goldionen entstand.
© BNL
Upton (USA) - Wirbelstürme rotieren mit Geschwindigkeiten von mehreren hundert Kilometern pro Stunde, Tropfen aus supraflüssigem Helium erreichen gar bis zu 14 Millionen Umdrehungen pro Sekunde. Doch die schnellsten Strudel überhaupt entstehen nach dem Zusammenstoß von Goldionen. Dabei bildete sich in einem amerikanischen Ionenbeschleuniger ein Quark-Gluon-Plasma – ein exotischer Materiezustand, wie er auch Sekundenbruchteile nach dem Urknall existiert hatte. Wie das internationale Forscherteam in der Fachzeitschrift „Nature“ berichtet, rotierte dieses extrem heiße Plasma bis zu zehn Milliarden Billionen Mal pro Sekunde.

„Ein Quark-Gluon-Plasma ist eine heiße Flüssigkeit, die sich explosiv ausbreitet und leicht fließt“, sagt Michael Lisa von der Ohio State University und Mitglied der STAR-Kollaboration am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Upton. In dem Ionenbeschleuniger trafen Goldionen fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt aufeinander. Bei der Kollision herrschten mehr als 100.000 Mal höhere Temperaturen als im Inneren der Sonne. Unter diesen extremen Bedingungen bildete sich für extrem kurze Momente das Quark-Gluon-Plasma, in dem Protonen und Neutronen der Goldatomkerne in einzelne Quarks und ihre Bindeteilchen, die Gluonen, zerfielen.

Theorien beschreiben ein Quark-Gluon-Plasma als eine Art perfekte Flüssigkeit mit extrem geringer Viskosität. Nun gelang der experimentelle, indirekte Nachweis, dass diese dünnflüssigste aller Flüssigkeiten die rasant rotierenden Strudel bilden konnte. Dazu wiesen Lisa und Kollegen mit voluminösen Detektoren um den Kollisionspunkt Anzeichen für das aus dem Quark-Gluon-Plasma entstandene Lambda-Hyperon nach – zusammengesetzt aus je einem Up-, Down und Strange-Quark. Dieses selbst rotierende Hyperon zerfiel weiter in ein Proton und ein Pion. Aus dem Drehmoment des Protons konnten die Physiker schließlich die Rotation des ursprünglichen Quark-Gluon-Plasmas ermitteln.

„Verglichen mit anderen Systemen in der Natur, ist das Quark-Gluon-Plasma die am schnellsten rotierende Flüssigkeit, die jemals beobachtet wurde“, schreibt Hannah Petersen, Kernphysikerin an der Universität Frankfurt, in einem begleitenden Kommentar. Zusätzlich zum neuen Weltrekord liefern diese Messungen auch wichtige Impulse für die Kernphysik. Denn nun können die Theorien zur „Starken Wechselwirkung“ zwischen den Quarks, zur Entstehung von Protonen, Neutronen und im Endeffekt aller Masse tragenden Elemente besser überprüft werden. Auch über die Entstehung extremer Magnetfelder bei den Ionenkollisionen sollen sie Aufschluss liefern. In naher Zukunft könnten weitere Versuche mit Quark-Gluon-Plasmen nicht nur am Ionenbeschleuniger in Upton, sondern auch am neuen FAIR-Beschleuniger in Darmstadt und in einigen Jahren am NICA-Experiment im russischen Dubna folgen.

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