Der Stoff aus dem die Atomkerne sind
Mehr als 99,9 Prozent der Masse eines Atoms ist in den aus Protonen und
Neutronen aufgebauten Atomkernen konzentriert. Kernmaterie hat daher im
Vergleich zu normaler Materie, z. B. Wasser, eine um mehr als 14 Größenordnungen
höhere Dichte. Ein Stückchen von der Größe eines Würfelzuckers würde mehr
als 300 Millionen Tonnen wiegen.
Was passiert, wenn man Kernmaterie komprimiert oder stark erhitzt? Lassen
sich auf diese Weise neue, bislang unerforschte Materieformen erzeugen?
Um diese Fragen zu beantworten, wollen die Physiker Atomkerne auf über 95
Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und dann zur Kollision bringen.
Für winzige Sekundenbruchteile entsteht in solchen Kern-Kern-Stößen hochverdichtete
und sehr heiße Kernmaterie. Danach zerfällt diese in einen Schauer elementarer
Teilchen, die von riesigen Detektoren registriert werden. Die Spuren dieser
Teilchen sollen den Wissenschaftlern neue Erkenntnisse über den Ablauf von
Supernova-Explosionen und die Eigenschaften der dabei entstehenden Neutronensterne
liefern.
Von besonderem Interesse ist der Übergang in eine neue, bislang unerforschte
Materieform, die man im Zentrum von großen Neutronensternen vermutet. Bei
sehr hohen Dichten und/oder Temperaturen sollten die Protonen und Neutronen
ihre Identität verlieren und sich in ein Plasma bestehend aus Quarks, Gluonen
und anderen Teilchen auflösen - das so genannte Quark-Gluon-Plasma.
Die Wissenschaftler nehmen an, dass sich im frühen Universum - etwa eine
Millisekunde nach dem Urknall - ein umgekehrter Übergang vom Quark-Gluon-Plasma
in die heutige, durch Protonen, Neutronen und Elektronen dominierte Materie
vollzogen hat.
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Ablauf einer Kern-Kern-Kollision zur Erzeugung von heißer und dichter
Kernmaterie.
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Die Abbildung zeigt das theoretisch vorhergesagte Phasendiagramm von hadronischer
Materie. Aufgetragen ist die Temperatur in Einheiten von Millionen Elektronenvolt
gegen die Dichte in Einheiten der normalen Atomkerndichte ρ0. Für
besonders hohe Temperaturen bzw. Dichten erwartet man, dass die ansonsten
in den Nukleonen eingesperrten Quarks und Gluonen aus ihrer Gefangenschaft
befreit werden und sich - wie die Elektronen und Ionen im Plasmazustand
- als freie Teilchen im Quark-Gluon-Plasma bewegen.
Die geplanten Detektoren müssen so ausgelegt
sein, dass sie im Abstand von einer millionstel Sekunde Teilchenschauer
mit bis zu tausend auslaufenden Teilchen registrieren können. Die damit
verbundenen hohen Datenraten sprengen die heutigen Möglichkeiten der Datenverarbeitung
und stellen eine besondere Herausforderung für künftige Entwicklungen
im Bereich der Informationstechnologie dar.
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