Urknall im Labor: CERN-Experiment zeigt erstmals flüssige Urmaterie
Forschende beobachten erstmals direkt, wie Quark-Gluon-Plasma auf ein einzelnes Quark reagiert und sich wie eine nahezu perfekte Flüssigkeit verhält.
Künstlerische Darstellung des Urknalls: In den ersten Mikrosekunden nach der Entstehung des Universums herrschte extrem heiße Urmaterie, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma – ein Zustand, der vom CERN nun nachgebildet wurde.
Foto: Smarterpix / MP_foto71
| Das Wichtigste in Kürze |
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In den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall war das Universum kein Ort stabiler Teilchen. Es ähnelte vielmehr einer extrem heißen, dichten Suppe. Quarks und Gluonen – die Bausteine der heutigen Protonen und Neutronen – bewegten sich frei und ungeordnet. Physiker bezeichnen diesen Zustand als Quark-Gluon-Plasma, kurz QGP. Obwohl es nur für wenige Mikrosekunden existierte, prägte es die weitere Entwicklung des Kosmos entscheidend.
Diesen frühesten Materiezustand versuchen Forschende heute im Labor nachzustellen. Am CERN nahe Genf gelingt das mit dem Large Hadron Collider. Dort prallen schwere Atomkerne nahezu mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander. Für einen winzigen Moment entstehen dabei Temperaturen und Energiedichten, wie sie kurz nach dem Urknall herrschten – und damit erneut Urmaterie.
Nun ist es Forschenden erstmals gelungen, direkt zu beobachten, wie sich dieses Plasma verhält, wenn ein hochenergetisches Quark – genauer: ein einzelnes Parton – es durchquert. Das Ergebnis ist eindeutig: Das Quark-Gluon-Plasma reagiert nicht wie ein Gas aus unabhängigen Teilchen, sondern wie ein zusammenhängendes, kollektives Medium – vergleichbar mit einer Flüssigkeit.
Inhaltsverzeichnis
Spuren wie in Wasser
Das internationale Team, angeführt von Forschenden des MIT, fand klare Hinweise auf Strömungen und Wirbel im Plasma. Sie entstehen, wenn das schnelle Quark Energie an seine Umgebung abgibt. Die entstehenden Muster erinnern an die Wellen, die ein Körper hinterlässt, wenn er sich durch Wasser bewegt.
„In unserem Fachgebiet wurde lange darüber diskutiert, ob das Plasma auf ein einzelnes Quark überhaupt reagieren sollte“, sagt Yen-Jie Lee, Professor für Physik am MIT. „Jetzt sehen wir, dass das Plasma so dicht ist, dass es ein Quark messbar abbremst und kollektive Strömungen und Wirbel erzeugt.“
Damit liegt erstmals ein direkter und eindeutig isolierter experimenteller Nachweis dafür vor, dass Quark-Gluon-Plasma als kollektives Medium auf durchfliegende Teilchen reagiert. Bisher stützte sich dieses Bild vor allem auf indirekte Hinweise wie globale Strömungsmuster oder den bekannten Effekt des Jet Quenching.
Der heißeste bekannte Stoff
Quark-Gluon-Plasma gilt als die erste Flüssigkeit des Universums – und zugleich als die heißeste, die Physikerinnen und Physiker kennen. Während seiner kurzen Existenz erreicht es Temperaturen von mehreren Billionen Grad. Unter diesen Bedingungen verlieren selbst Protonen und Neutronen ihre innere Struktur. Übrig bleiben ihre elementaren Bestandteile.
Zahlreiche Experimente zeigen zudem, dass QGP eine nahezu „perfekte“ Flüssigkeit ist. Ihre innere Reibung ist extrem gering, Teilchen bewegen sich nahezu widerstandslos aneinander vorbei. Genau diese Eigenschaft macht es möglich, dass ein einzelnes hochenergetisches Quark messbare Strömungen im Plasma auslöst.
Warum frühere Experimente an Grenzen stießen
Der experimentelle Nachweis solcher Nachlaufeffekte galt lange als nahezu unmöglich. In Schwerionenkollisionen entstehen typischerweise Quark-Antiquark-Paare, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Ihre Spuren überlagern sich im Plasma und lassen sich kaum trennen.
„Wenn zwei Quarks gleichzeitig entstehen, überlagert die Spur des einen fast zwangsläufig die des anderen“, erklärt Lee.
Der entscheidende Durchbruch kam durch eine gezielte Auswahl seltener Ereignisse. Statt nach Quark-Paaren suchte das Team nach Kollisionen, bei denen ein einzelnes Quark gemeinsam mit einem Z-Boson entsteht. Z-Bosonen sind elektrisch neutral und wechselwirken nur über die elektroschwache Kraft – sie durchqueren das Plasma daher nahezu ungestört und dienen als Referenz.
Z-Bosonen als saubere Marker
„Manchmal, wenn wir Glück haben, entsteht bei einer dieser Kollisionen ein Z-Boson und ein Quark mit hohem Impuls“, sagt Lee. Beide fliegen in entgegengesetzte Richtungen davon. Während das Quark das Plasma aufwühlt, bleibt das Z-Boson praktisch unsichtbar.
Für die Analyse nutzten die Forschenden Daten des CMS-Experiment. Aus rund 13 Milliarden Schwerionenkollisionen filterten sie etwa 2000 geeignete Ereignisse heraus. In diesen Fällen zeigte sich ein klares Muster: Energieanhäufungen, Strömungen und Wirbel genau dort, wo das einzelne Quark das Plasma durchquert hatte.
Die beobachteten Strukturen stimmen gut mit theoretischen Vorhersagen überein, unter anderem mit einem Modell von Krishna Rajagopal vom MIT. Es beschreibt das Quark-Gluon-Plasma als stark gekoppelte Flüssigkeit, die auf durchfliegende Teilchen mit hydrodynamischen Strömungen reagiert.
„Viele von uns haben seit Jahren erwartet, dass sich das Plasma so verhalten muss“, sagt Rajagopal. „Jetzt haben wir den ersten klaren experimentellen Beleg dafür.“
Ein Blick in die ersten Mikrosekunden des Universums
Für die Teilchenphysik ist das weit mehr als ein methodischer Fortschritt. Die Ausbreitung, Form und Lebensdauer dieser Strömungen liefern direkte Informationen über die Eigenschaften der Urmaterie. Sie geben Hinweise darauf, wie dicht das Plasma war und wie effizient es Energie transportierte.
„Indem wir untersuchen, wie die Nachwirkungen eines einzelnen Quarks durch das Plasma wandern, gewinnen wir neue Einblicke in seine fundamentalen Eigenschaften“, sagt Lee. „Dieses Experiment liefert uns eine Momentaufnahme der ursprünglichen Quarksuppe – so, wie sie kurz nach dem Urknall existiert haben muss.“
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