Physiker beobachten die Wellen von Quarks in der primordialen Suppe des Urknalls
- Physiker am CERN haben Quarkwellen im Quark-Gluon-Plasma entdeckt
- Diese Entdeckung bestätigt die flüssigen Eigenschaften von QGP
- Forschungen könnten helfen, das frühe Universum zu verstehen.
Entdeckung des Quark-Gluon-Plasmas
In den ersten Momenten der Existenz des Universums erreichte die Temperatur Billionen von Grad und erzeugte eine intensive Mischung aus Quarks und Gluonen. Diese Elementarteilchen bewegten sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in einem Zustand der Materie, der als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bekannt ist. Dieses primäre Material existierte nur für einige Millionstel Sekunden, bevor es schnell abkühlte, was es Quarks und Gluonen ermöglichte, sich zu Protonen, Neutronen und anderen Teilchen zusammenzuschließen, die wir heute beobachten.
Experimente am CERN
Am CERN, am Large Hadron Collider, rekonstruieren Physiker die Quark-Gluon-Plasma, um seine Eigenschaften zu untersuchen. Durch die Kollision schwerer Ionen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit können Forscher Quarks und Gluonen vorübergehend trennen und winzige Mengen von Materie erzeugen, die in den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall existierte. Das CERN-Team, geleitet von Physikern des MIT, hat eindeutige Beweise dafür gefunden, dass Quarks Wellen erzeugen, während sie durch dieses Plasma bewegen.
Quarkwellen und ihre Bedeutung
Die Beobachtungen liefern den ersten direkten Beweis dafür, dass das Quark-Gluon-Plasma auf schnell bewegte Teilchen als Einheit reagiert und Wellen und Wirbelbewegungen erzeugt. "Das war ein lang diskutiertes Thema in unserem Bereich, ob das Plasma auf Quarks reagieren sollte," sagt Yen-Ji Lee, Professor für Physik am MIT. "Jetzt sehen wir, dass das Plasma unglaublich dicht ist und in der Lage ist, Quarks zu verlangsamen, indem es Ausbrüche und Wirbel erzeugt, wie eine Flüssigkeit."
Forschungsmethoden
Li und seine Kollegen haben eine neue Methode zur Entdeckung dieser Quarkwellen entwickelt. Sie planen, diese Technik an zusätzlichen Daten zu Teilchenkollisionen zu verwenden, um weitere Beispiele zu suchen und sie genauer zu untersuchen. Indem sie messen, wie groß die Wellen werden, wie schnell sie sich bewegen und wie lange sie bestehen bleiben, können die Wissenschaftler wichtige Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas bestimmen.
Quark-Gluon-Plasma als ideale Flüssigkeit
Quark-Gluon-Plasma gilt als die erste Flüssigkeit im Universum und die heißeste Flüssigkeit, die jemals bekannt war, mit Temperaturen von mehreren Billionen Grad Celsius. Wissenschaftler beschreiben das QGP auch als nahezu "ideale" Flüssigkeit, in der sich einzelne Quarks und Gluonen zusammen wie eine außergewöhnlich glatte Flüssigkeit mit nahezu null Reibung bewegen.
Modelle und Theorien
Das Verständnis der Quark-Gluon-Plasma basiert auf zahlreichen Experimenten und theoretischen Studien. Eines der einflussreichsten Modelle ist das hybride Modell, das von Krishna Rajagopal und seinen Kollegen entwickelt wurde und vorhersagt, dass das Quark-Gluon-Plasma sich wie eine Flüssigkeit verhalten sollte, wenn energiereiche Teilchen hindurchfliegen.
Suche nach Beweisen
Physiker haben über viele Jahre nach Beweisen für diese Wellen am Large Hadron Collider und anderen Teilchenbeschleunigern gesucht. In diesen Experimenten werden schwere Ionen wie Blei auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und kollidieren, wodurch winzige Tropfen primärer Materie entstehen, die normalerweise weniger als eine Quadrillionstel Sekunde existieren.
Neue Entdeckungstechnik
Frühere Suchen nach Quarkwellen konzentrierten sich oft auf Paare, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen. Allerdings erkannten Li und seine Kollegen, dass es einfacher ist, eine Welle von einem einzelnen Quark zu identifizieren, wenn kein zweiter Quark vorhanden ist, der eine überlappende Störung erzeugt. Sie entwickelten eine neue Technik, die es ermöglicht, die Effekte eines einzelnen Quarks im QGP durch ein anderes Teilchenpaar zu sehen.
Die Rolle der Z-Bosonen
Anstatt nach Quark-Antiquark-Paaren nach Kollisionen von Blei-Ionen zu suchen, suchten die Forscher nach Ereignissen, bei denen ein Quark durch die Plasma in fast entgegengesetzter Richtung zum Z-Boson bewegte. Das Z-Boson ist ein neutrales Elementarteilchen, das schwach mit dem umgebenden Plasma interagiert, was es als reine Kontrollpunkt nützlich macht.
Zukunft der Forschung
Mit einer neuen Methode der Physik hoffen die Forscher, mehr Daten über die Quark-Gluon-Plasma und ihre Eigenschaften zu erhalten. "Das Studium, wie Quarkwellen abprallen und interagieren, wird uns neue Ideen über die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas geben," sagt Li. Diese Entdeckung könnte unser Verständnis des frühen Universums und seiner Evolution erheblich voranbringen.
Quelle: ScienceDaily
