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Kernmateriephysik

Ablauf einer Kern-Kern-Kollision Quicktime version (4.9 MB) / AVI version (8.5 MB)

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.

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Ablauf einer Kern-Kern-Kollision Quicktime version (4.9 MB) / AVI version (8.5 MB)
Ablauf einer Kern-Kern-Kollision zur Erzeugung von heißer und dichter Kernmaterie. Quicktime version (4.9 MB) / AVI version (8.5 MB)

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.

Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Phasendiagramm hadronischer Materie
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Geplante Detektoren
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Phasendiagramm hadronischer Materie
Geplante Detektoren
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.
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung