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Der Stoff aus dem Atomkerne sind

Wie Wasser - und alle uns umgebende Materie - je nach Druck und Temperatur fest, flüssig oder gasförmig ist, so sollte auch die Kernmaterie - der aus geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen bestehende »Stoff«, der die Atomkerne bildet - verschiedene Aggregatzustände annehmen können. In der Tat konnten GSI-Forscher vor kurzem den Beweis für diesen lange gesuchten Phasenübergang von flüssiger nach gasförmiger Kernmaterie erbringen. Bei noch höheren Temperaturen und Drücken ist sogar eine Auflösung der Kernbausteine in eine neue Materieform, das Quark-Gluon-Plasma zu erwarten.

Fast die gesamte Materie der Atome steckt in ihren Kernen. Die Atomkerne besitzen daher, verglichen mit den chemischen Elementen oder chemischen Verbindungen, eine unvorstellbar hohe Dichte. Sie ist um mehr als 14 Zehnerpotenzen (1 zu 10¹⁴) größer als die des Wassers. Andererseits ist das Abstandsverhalten der Kräfte, die zwischen den Kernbausteinen wirken, ganz ähnlich dem, wie wir es von Flüssigkeitsmolekülen her kennen. Auf sehr kurze Distanz wirken die Bindungskräfte abstoßend, bei mittleren Nukleonenabständen jedoch anziehend. In der Tat verhalten sich Atomkerne in vieler Hinsicht wie Flüssigkeitstropfen.

In Fortführung dieser Überlegung ergibt sich die interessante Frage, ob Kernmaterie - analog zum Wasser - auch in andere Phasen, zum Beispiel in ein Gas, übergehen kann. Für den Physiker führt dies auf die allgemeinere Fragestellung, die Zustandsgleichung der Kernmaterie zu untersuchen, die die thermodynamischen Größen Druck, Dichte und Temperatur miteinander verbindet.

Aufschluß hierüber läßt sich aus dem Zusammenprall schwerer Atomkerne mit relativistischen Geschwindigkeiten gewinnen, also mit Geschwindigkeiten, die der des Lichts nahekommen und wie sie am Schwerionen-Synchrotron SIS in Darmstadt zur Verfügung stehen. Dabei lassen sich Dichte und Temperatur der Kernmaterie in weiten Bereichen und unter kontrollierten Bedingungen variieren. Zum einen geht die Bewegungsenergie der aufeinanderprallenden Atomkerne in innere Anregung der Kerne über: Sie werden erhitzt. Zum anderen entsteht dort, wo die Atomkerne frontal aufeinander treffen - in dem kleinen Volumen der Kollisionszone - für extrem kurze Zeit verdichtete Kernmaterie. Über die genaue Untersuchung der dabei ablaufenden Prozesse gewinnt man Einblick in die Eigenschaften heißer und verdichteter Kernmaterie.

Kernmaterie kocht auch nur wie Wasser

Blick in die Detektorkammer der aufgefahrenen Time Projection Chamber (TPC), mit der am ALADIN-Spektrometer der Aufbruch heißer Kerne untersucht wird. Der Magnet des Spektrometers ist im Hintergrund (auf der rechten Seite, blau) zu erkennen.

Erhitzte Kernmaterie (linkes Diagramm) zeigt ein Verhalten, das analog zur Temperaturkurve von kochendem Wasser (rechtes Diagramm) verläuft. Die Kernmaterie »verharrt« bei Steigerung der Anregungsenergie auf einem bestimmten Temperaturniveau, bevor bei weiterer Energiezufuhr die Temperatur wieder ansteigt. Die bei der GSI gewonnenen Meßdaten sind (gegenüber denen der anderen Labors) rot eingezeichnet.

Um den Kollisionspunkt herum deckt der FOPI-Detektor den gesamten Raumwinkel ab. Ein großer Magnet (rot) umschließt verschiedene Detektor-Komponenten. Der beschleunigte Schwerionenstrahl trifft von links auf die Targetfolie. Die in einem Ereignis registrierten Teilchenspuren (Nukleonen grün, Pionen rot) sind als Computerrekonstruktion eingezeichnet.

Die zentrale Detektorkammer des FOPI-Detektors im ausgefahrenen Zustand bei Montagearbeiten. Vorbereitung, Durchführung und Auswertung dieser großen Experimente erfolgt unter maßgeblicher Mitwirkung von jungen Nachwuchswissenschaftlern und Doktoranden.

Am großen Magnetspektrometer ALADIN (Abkürzung für die etwas gequälte Wortschöpfung »A LArge DIpol magNet«) konzentrieren sich die Untersuchungen auf das Verhalten heißer Kerne.

Die Theorie sagt seit über 20 Jahren einen Flüssigkeit-Gas-Phasenübergang von Kernmaterie beim Erreichen einer bestimmten kritischen Temperatur voraus. Dessen Existenz konnte jedoch erst vor kurzem eine GSI-Forschergruppe eindeutig nachweisen. Bei diesen Experimenten wurden schwere Projektilkerne, zum Beispiel Kerne von Goldatomen, auf leichte Targetkerne, zum Beispiel Kohlenstoff, geschossen mit dem Ergebnis, daß die leichten Kerne aufgrund ihrer geringen Masse die schweren Projektile während des Stoßes zwar nur unwesentlich komprimieren konnten, sie jedoch so stark aufheizten, daß sie in zahlreiche Bruchstücke zerfielen. Durch die Messung und genaue Identifikation dieser Kernbruchstücke ließ sich in komplizierter Weise auf Anregungsenergie und Kerntemperatur beim Aufbruch der schweren Projektilkerne zurückschließen.

Beim Auftragen dieser Werte in einem Temperatur-Energie-Diagramm ergab sich Zustandskurve, wie sie für Wasser beim Verdampfen typisch ist, nämlich die Bildung eines Plateaus mit einem nachfolgenden erneuten Anstieg.

Dieses Verhalten läßt sich wie folgt interpretieren: Beim Erreichen des Plateaus beginnt der Kern zu sieden. Die weitere Energiezufuhr führt dann nicht zu einer weiteren Temperaturerhöhung. Vielmehr werden in der flüssigen Kernmaterie die Bindungen zwischen den Nukleonen aufgebrochen, und die flüssige Kernmaterie geht in ein Gas niedrigerer Dichte über. Erst wenn dieser Übergang vollzogen ist, führt weitere Energiezufuhr zu einem erneuten, bei den ALADIN-Experimenten zum ersten Mal beobachten Temperaturanstieg, das eindeutige Indiz für den Phasenübergang.

Aber was passiert, wenn Atomkerne nicht nur erhitzt, sondern zusätzlich verdichtet werden? Experimentell läßt sich dies in zentralen Kern-Kern-Stößen bei relativistischen Energien verwirklichen, bei einem Volltreffer von schweren Projektilkernen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf ebenfalls schwere Targetkerne. Dabei werden die Nukleonen in der Überlappungszone der beiden Kerne für eine extrem kurze Zeitspanne von 10-22 Sekunden auf ein Mehrfaches der Normaldichte komprimiert, bei SIS-Energien bis auf das Zwei- bis Dreifache.

Trotz dieser extrem kurzen Zeitspanne gelingt es, Informationen über diese Hochdichtephase zu erhalten - im wesentlichen mit zwei Untersuchungsmethoden. Auf die Kompressionsphase, in der die Kernmaterie gleichsam wie eine Feder gespannt ist, folgt eine explosionsartige Expansionsphase, in deren Folge die zur Kollision gebrachten Kerne in zahlreiche Bruchstücke, man sagt Kernfragmente, aufbrechen. Aus der Massen- und Geschwindigkeitsverteilung der freigesetzten Kernbruchstücke kann über eine Rekonstruktion des Kern-Kern-Stoßes auf die anfängliche Kompression zurückgeschlossen werden.

Das zentrale Instrument für diese Untersuchungen ist der sogenannte 4Pi- oder FOPI-Detektor (abgeleitet vom englischen Four Pi), mit dem alle in der Expansionsphase emittierten Teilchen nach Größe, Richtung und Geschwindigkeit registiert werden.

Eine explosionsartige Expansion von Kernfragmenten, wie sie mit dem FOPI-Detektor bei einem zentralen Stoß zwischen Gold-Kernen mit 50% der Lichtgeschwindigkeit beobachtet wurde. Die bei den größeren Fragmenten nahezu gleiche mittlere Geschwindigkeit steht im Widerspruch zu Vorhersagen des thermischen Modells und deutet auf eine kollektive Expansion der Kollisionszone hin, bei der sich alle Fragmente mit nahezu gleicher Geschwindigkeit vom Reaktionszentrum wegbewegen.

Das mathematische Symbol 4 steht für den gesamten Raumwinkel und soll andeuten, daß wirklich alle herausfliegenden Teilchen erfaßt und ausgemessen werden. Als Beispiel dafür, wie die mit diesem Detektor aufgenommenen Daten aussehen, ist in folgender Abbildung die nach dem Zusammenstoß von zwei Goldkernen beobachtete explosive Expansion dargestellt.

Ihre Analyse ergibt, daß über die Hälfte der im Kern-Kern-Stoß eingebrachten Energie sich in der auf die Kompression folgenden kollektiven Expansion wiederfindet. Nur der verbleibende Rest kann in die Anregung von inneren Freiheitsgraden der Nukleonen oder in eine ungeordnete Nukleonenbewegung, also eine Temperaturerhöhung, übergegangen sein.

Zur genauen Auswertung der Kern-Kern-Kollisionen und der daraus folgenden Eigenschaften von Kernmaterie bedarf es des Vergleichs mit theoretischen Modellrechnungen. Ein Beispiel für eine solche Rechnung - und zugleich eine schöne Illustration eines hochenergetischen Kern-Kern-Stoßes - zeigt die Abbildung IV.6. Das bei diesen Kern-Kern-Stößen beobachtete Szenario weist viele Ähnlichkeiten mit einer Supernova-Explosion auf, bei der das Innere eines Sterns durch einen Gravitationskollaps auf das Vielfache der normalen Kerndichte komprimiert wird und danach unter Zurücklassung eines Neutronensterns explosionsartig seine äußeren Massenschalen in den Weltraum schleudert.

Boten aus dem Feuerball
Eine andere Möglichkeit, die beim Stoß von zwei Atomkernen verdichtete Kernmaterie zu untersuchen, ist die Beobachtung der von ihr ausgehenden Strahlung. In der Kollisionszone können einzelne Nukleonen in energetisch höhere Zustände, zu sogenannten Nukleonen-Resonanzen, angeregt werden.

Der theoretisch simulierte räumliche und zeitliche Ablauf eines Kernzusammenpralls in drei, sich jeweils um 3 x 10^-23 s unterscheidenden Zeitabschnitten (im Schwerpunktsystem betrachtet): die Annäherungsphase; aufgrund relativistischer Effekte sind die Kerne in Bewegungsrichtung verkürzt (links), die Hochdichtephase (Mitte) und die Expansionsphase (rechts). Man erkennt, daß in der Hochdichtephase Nukleonen-Resonanzen (grün) angeregt werden, die anschließend durch die Emission von Mesonen (rot) zerfallen. In der Endphase der Kollision fliegen alle Teilchen explosionsartig in alle Richtungen weg.

Animation als Mpeg-File(2682810 Bytes)

Weitere Kernzusammenprallsimulationen:
Der theoretisch simulierte räuliche und zeitliche Ablauf des Kernzusammenpralls, bei verschiedenen Energien (E) und Abständen (b). Nukleonen sind blau, Nukleonen-Resonanzen grün und Mesonen rot dargestellt. Diese Filmsequenzen beruhen auf Rechnungen von Steffen A. Bass mit dem QuantenMolekularDynamik Model mit Isospinfreiheitsgraden (IQMD).

Gold auf Gold
E = 1 GeV pro Nukleon, b = 12 Fermi
(Mpeg-File mit 1121715 Bytes)
E = 1 GeV pro Nukleon, b = 6 Fermi
(Mpeg-File mit 2195804 Bytes)
E = 1 GeV pro Nukleon, b = 3 Fermi
Mpeg-Fileg mit 2269136 Bytes)
E = 1 GeV pro Nukleon, b = 0 Fermi
(Mpeg-File mit 2526016 Bytes)

Die Nukleonen besitzen nämlich eine innere Struktur. Sie sind aus Quarks und Gluonen zusammengesetzt und können durch Wechselwirkung mit ihrer Umgebung, zum Beispiel durch Stöße mit anderen Nukleonen in der verdichteten heißen Reaktionszone, in höhere Zustände angehoben werden. Die Nukleonen-Resonanzen zerfallen schon nach sehr kurzer Zeit wieder - noch während der Kern-Kern-Kollision - und senden dabei Mesonen und andere Teilchen wie Gammaquanten oder Elektron-Positron-Paare aus. Die können gemessen werden und fungieren so als Boten aus der, im Forscherjargon Feuerball genannten, heißen Kollisionszone.

Bei SIS-Energien wird vorzugsweise die sogenannte Delta-Resonanz - das niedrigste der angeregten Nukleonenniveaus - erzeugt, die über die Emission von -Mesonen zerfällt. Messungen am FOPI-Detektor, am Zwei-Arm-Photonenspektrometer TAPS (Two Arm Photon Spectrometer) und dem Magnetspektrometer KaoS (Kaon- oder K-Meson-Spektrometer) haben gezeigt, daß in der Verdichtungszone für kurze Zeit bis zu einem Drittel der Nukleonen als Delta-Resonanzen vorliegt. Das heißt, die im Kern-Kern-Stoß stekkende Energie bewirkt zu einem beträchtlichen Teil auch die Anregung innerer Freiheitsgrade der Nukleonen.

Dies hat wichtige Konsequenzen für die Anregung noch höherer Nukleonen-Resonanzen beziehungsweise für die Emission von Mesonen, die schwerer sind als das -Meson, beispielsweise das -Meson oder das K-Meson. So ergaben Experimente am KaoS-Spektrometer, daß die Produktion von K-Mesonen überwiegend auf die Stöße einer Delta-Resonanz mit einem Nukleon oder sogar von zwei Delta-Resonanzen in der Verdichtungszone zurückgeht. Die beträchtliche Konzentration an Delta-Resonanzen erlaubt sogar die Produktion von Antiprotonen, nämlich über energiereiche Delta-Delta-Stöße, wie am Fragmentseparator FRS gezeigt wurde.

Eine andere im Hinblick auf die Theorie der starken Wechselwirkung grundlegende Frage ist die nach den effektiven Nukleonen- und Mesonenmassen in heißer, dichter Kernmaterie. In der verdichteten und erhitzten Kollisionszone eines Kern-Kern-Stoßes erwartet man für bestimmte Mesonen, zum Beispiel das -Meson, eine Abnahme der effektiven Masse. Dies sollte sich über den Zerfall des -Mesons in ein Elektron-Positron-Paar experimentell beobachten lassen. Zur Klärung dieser Fragestellung wird gegenwärtig in Darmstadt ein neues und technologisch besonders anspruchsvolles Detektorsystem mit dem Namen HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) aufgebaut. Der Mechanismus der effektiven Massenänderungen steht in direktem Zusammenhang mit der fundamentalen Frage nach dem Ursprung der Teilchenmassen überhaupt. Mit Spannung blicken die Physiker daher den ersten, für 1998 geplanten HADES-Experimenten entgegen.

Auf der Suche nach der »Ursuppe«
Während die Kernkollisionen bei SIS-Energien noch durch die Eigenschaften der Nukleonen bestimmt sind, spielen bei noch höheren Energien die Eigenschaften der Quarks die entscheidende Rolle. So erwartet man bei Reaktionen zwischen schweren Kernen einen Übergang von der hadronischen Materie zu einer neuen Materiephase, dem Quark-Gluon-Plasma. Bei hinreichender Energiedichte sollten sich die Nukleonen in quasi-freie Quarks und Gluonen auflösen. Dies ist über die Kernphysik hinaus von großem kosmologischen Interesse, da man vermutet, daß etwa 10-5 s nach dem Urknall ein Phasenübergang in umgekehrter Richtung stattgefunden hat, also eine Umwandlung der ursprünglich als »Ursuppe« allein vorliegenden Quark-Gluon-Materie in Nukleonen und Mesonen.

Um diese für die Entwicklung des Universums wichtigen Prozesse untersuchen zu können, hat die GSI in Zusammenarbeit mit anderen europäischen Instituten und dem europäischen Kernforschungslabor CERN für dessen großes SPS-Synchrotron einen Blei-Injektor entwickelt. In Fortführung eines langjährigen Forschungsprogramms werden hier seit November 1994 erstmals Reaktionen zwischen sehr schweren Bleikernen bei Einschußenergien von mehr als 99% der Lichtgeschwindigkeit untersucht.

Für den Phasenübergang sagt die Theorie verschiedene Signaturen wie etwa eine überhöhte Produktion von s-Quarks (s für strange) und die Emission einer hochenergetischen elektromagnetischen Strahlung vorher: alles Signale, die um so deutlicher werden sollten, je größer das hochangeregte Reaktionsvolumen ist. Darin liegt der Vorteil der Experimente mit Bleistrahlen gegenüber bisherigen Messungen mit Schwefel-Strahlen. Daß die für die verschiedenen Signale optimierten Nachweisapparaturen die große Zahl der produzierten Teilchen zu handhaben vermögen, verdeutlicht folgende Abbildung:

Die in einem TPC-Detektor (Time Projection Chamber) nachgewiesenen Teilchenspuren einer Reaktion von Bleikernen bei 160 GeV pro Nukleon. Die Darstellung ist eine Computer-Rekonstruktion der in einer großvolumigen Spurenkammer registrierten Teilchenbahnen. Die Strahlrichtung ist auf den Beobachter zugerichtet.

Hier sind in einer Computer-Rekonstruktion die in einer großvolumigen Spurenkammer registrierten Teilchenbahnen eines einzelnen Kollisionsereignisses dargestellt.

Eine faszinierende Zukunftsperspektive derartiger Untersuchungen zeichnet sich mit der Verwirklichung des LHC (Large Hadron Collider) am CERN ab. (Dessen Bau wurde jetzt von den Mitgliedsländern des CERN beschlossen.) Es ist vorgesehen, an diesem europäischen Super-Beschleuniger unter maßgeblicher Beteiligung der GSI einen Schwerionendetektor für Blei-Blei-Kollisionen aufzubauen. Das bedeutet ein Experimentieren bei 300mal höheren Energien als bisher.

Kernmaterie hat also viele Erscheinungsformen, die durch entsprechende Energiezufuhr und Kompression erreicht werden können. Schon bei relativ geringer Energieerhöhung erfährt die Kernmaterie einen Phasenübergang vom flüssigkeitsähnlichen Normalzustand in ein Nukleonengas. Bei höheren Strahlenergien läßt sich Kernmaterie auf etwa die dreifache Normaldichte komprimieren. Gleichzeitig entstehen Nukleonen-Resonanzen durch Anregung der Nukleon-Substruktur. Aber auch diese Substruktur des Nukleons wird bei höchsten Energien aufgebrochen, und man kann annehmen, daß dann ein Plasma aus Quarks und Gluonen entsteht. So erweist sich der Stoff, aus dem die Atomkerne sind, als ein höchst vielfältiges Wunderland.

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