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20.09.2018 | Kernphysiker stellen Beobachtungen zum quantenchromodynamischen Phasenübergang vor

"Nature"-Veröffentlichung zur Entstehung der Materie / Experimente ermöglichen Blick in die Anfänge des Universums

Foto: CERN/A. Saba

Der ALICE-Detektor am CERN

Foto: CERN

Die Zeitprojektionskammer (TPC).

Grafik: Andronic A., Braun-Munzinger P., Redlich K. und Stachel J.

Grafische Darstellung der Ergebnisse.

 

Dies ist eine gemeinsame Pressemitteilung der Universitäten Münster und Heidelberg sowie des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Etwa zehn Millionstel Sekunden dauerte es, bis die Bausteine der Materie unserer heutigen Alltagswelt entstanden, so die gängige Annahme von Experten: Nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren bewegten sich Quarks und Gluonen, zwei Arten von Elementarteilchen, deren Wechselwirkung von der Quanten-Chromodynamik, der Theorie der starken Wechselwirkung beschrieben wird, in den allerersten Augenblicken des Universums frei in einem Quark-Gluon-Plasma. Dann vereinigten sie sich und bildeten beispielsweise Protonen und Neutronen, aus denen die Kerne von Atomen bestehen und die zur Teilchenklasse der Hadronen gehören. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“ präsentiert ein internationales Forscherteam nun eine Analyse der Ergebnisse langjähriger Experimente an Teilchenbeschleunigern, die Licht auf die Natur dieses Phasenübergangs wirft. Unter anderem bestimmten die Forscher mit Präzision die Übergangstemperatur und erhielten neue Erkenntnisse zum Mechanismus, wie ein Quark-Gluon-Plasma beim Abkühlen in die normalen Materiebausteine wie Protonen, Neutronen oder Atomkerne ausfriert. Das Forscherteam besteht aus Wissenschaftlern vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie von den Universitäten Heidelberg, Münster und Breslau (Polen).

Messungen bestätigen vorhergesagte Übergangstemperatur / Einhundertzwanzigtausend Mal heißer als das Innere der Sonne

Ein zentraler Befund: Die Experimente bei weltweit höchster Energie mit dem ALICE-Detektor am Kernforschungszentrum CERN (Large Hadron Collider, LHC) produzieren Materie, in der Teilchen und Antiteilchen mit sehr genau gleicher Häufigkeit vorkommen, identisch mit der Urknallmaterie. Das Team bestätigt durch die Analyse der in den Experimenten gewonnenen Daten theoretische Vorhersagen, nach denen der Phasenübergang zwischen Quark-Gluon-Plasma und hadronischer Materie bei einer Temperatur von 156 Megaelektronenvolt geschieht. Das entspricht einer Temperatur, die Einhundertzwanzigtausend Mal heißer ist als das Innere der Sonne.

Teilchen trotzen hohen Temperaturen im Verbund

Die Physiker analysierten eine Vielzahl an Teilchen und Antiteilchen genauer. „Unsere Untersuchungen bringen mehrere überraschende Erkenntnisse mit sich. Eine davon ist, dass leichte Atomkerne und ihre Antiteilchen bei der gleichen Temperatur wie Protonen und Antiprotonen erzeugt werden, obwohl ihre Bindungsenergien etwa einhundert Mal kleiner sind als die der Übergangstemperatur entsprechende Energie“, sagt Prof. Dr. Anton Andronic von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster, vormals GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. Die Wissenschaftler vermuten, dass solche „schwach gebundenen“ Teilchen den hohen Temperaturen zunächst als kompakte Multi-Quark Zustände trotzen, die sich erst bei viel niedrigerer Temperatur in die beobachteten leichten Atomkerne oder Antikerne entwickeln. Die Existenz solcher Multi-Quark Zustände wurde seit langer Zeit vermutet, ohne dass konkrete Hinweise darauf gefunden werden konnten.

„Confinement“: Charm-Quarks wandern im Feuerball 

Eine andere besonders interessante Beobachtung betrifft ein zwar seit langer Zeit bekanntes, aber bisher nicht verstandenes Phänomen: Normalerweise sind Quarks im Innern von Protonen und Neutronen eingeschlossen; isolierte Quarks kommen nicht vor – eine Eigenschaft, die fachsprachlich mit „confinement“ bezeichnet wird. Im Inneren des Feuerballs, der nach einer Kernkollision im Teilchenbeschleuniger entsteht, ist dieses „confinement“ aufgehoben („deconfinement“). Die neue Studie zeigt: Charmonium-Zustände – sogenannte J/psi-Mesonen, bestehend aus einem schweren Charm-Quark und seinem Antiteilchen –, werden bei LHC-Energie weit häufiger erzeugt als bei niedrigerer Energie, zum Beispiel am „Relativistic Heavy Ion Collider“ in den USA. Wegen der höheren Energiedichte  am LHC  war das Gegenteil, nämlich eine Reduktion durch Dissoziation von J/psi-Mesonen, erwartet worden. Andererseits war vor 18 Jahren von zwei Team-Mitgliedern (Prof. Dr. Peter Braun-Munzinger, GSI, und Prof. Dr. Johanna Stachel, Universität Heidelberg) eine erhöhte Produktion vorhergesagt worden aufgrund des „deconfinements“ der Charm-Quarks. Dieser Vorschlag wurde in einer Serie von Veröffentlichungen vom gesamten Team detailliert ausgearbeitet. Die nun beobachtete verstärkte Produktion der J/psi-Teilchen bestätigt die Vorhersage: J/psi-Mesonen werden nur dann in der beobachteten großen Anzahl produziert, wenn ihre Bestandteile, die Charm- und Anticharm-Quarks, sich in diesem Zustand bis zu einem Billiardstel Zentimeter weit frei bewegen können – das entspricht ungefähr zehn Mal der Größe eines Protons. „Diese Beobachtungen sind ein erster Schritt, um das Phänomen des ‚confinements‘ im Detail zu verstehen“, unterstreicht Prof. Dr. Krzysztof Redlich von der Universität Breslau.

Experimente am Kernforschungszentrum CERN und am Brookhaven National Laboratory

Die Daten stammen aus mehrjährigen Untersuchungen im Rahmen des Experiments „ALICE“ am Teilchenbeschleuniger „Large Hadron Collider“ (LHC) des Kernforschungszentrums CERN bei Genf. Mit „ALICE“ untersuchen Wissenschaftler aus 41 Ländern anhand von aufeinanderprallenden Strahlen aus Bleiatomkernen den Zustand des Universums unmittelbar nach dem Urknall: Bei den Kollisionen dieser Atomkerne entstehen die höchsten jemals durch Menschen erzeugten Energiedichten. Als Folge dieser Zusammenstöße bildet sich Materie (Quarks), wie sie unmittelbar zu Beginn des Universums existierte. Pro Kollision entstehen mehr als 30.000 Teilchen, die mit den „ALICE“-Detektoren vermessen werden. In die aktuelle Studie flossen außerdem Daten aus Experimenten an zwei Teilchenbeschleunigern mit niedrigerer Energie ein: dem „Super Proton Synchroton“ am CERN sowie dem „Relativistic Heavy Ion Collider“ am US-amerikanischen Brookhaven National Laboratory auf Long Island, New York.

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1225 „Isolierte Quantensysteme und Universalität unter extremen Bedingungen (ISOQUANT)“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt. Sie wurden außerdem durch das polnische National Science Center (NCN) gefördert (Maestro grant DEC-2013/10/A/ST2/00106).

Relativistische Kern-Kern Kollisionen bei GSI

Die Untersuchung relativistischer Kern-Kern Stöße hat eine lange Tradition bei GSI, zunächst am SIS18 Beschleuniger und später am CERN SPS. Bis 1995 lag die Leitung der Gruppe bei Prof. Dr. Rudolf Bock, ab 1996 bei Prof. Dr. Peter Braun-Munzinger.

Die ALICE Gruppe bei GSI ist seit 1996 Mitglied der ALICE Kollaboration und hat sowohl im Aufbau des Experiments als auch im Betrieb und in der Datenanalyse eine Schlüsselfunktion inne. Herr Prof. Braun-Munzinger hatte als Leiter des (Spurendriftkammer-)TPC-Projekts sowie in der Entwicklung und Inbetriebnahme des (Übergangsstrahlungs-) TRD Detektors mit seiner  Gruppe entscheidenden Anteil am erfolgreichen ALICE Experiment und betätigt sich in führender Rolle in der Datenanalyse sowie in der Entwicklung von Zukunftsprojekten für ALICE. Als Nachfolgerin von Prof. Braun-Munzinger leitet Frau Prof. Silvia Masciocchi seit 2011 die ALICE Gruppe. Die phänomenologischen Untersuchungen zur Interpretation der ALICE-Daten, die im Zentrum der aktuellen Nature-Veröffentlichung stehen, wurden im Rahmen des ExtreMe Matter Institutes EMMI, das von Prof. Braun-Munzinger geleitet wird, durchgeführt.

Die im Rahmen der Nature Publikation erhaltenen Resultate sind auch wegweisend für das Programm am zukünftigen FAIR Beschleuniger: insbesondere die Resultate zur Produktion schwach gebundener leichter Atomkerne oder Hyperkerne und anderer Exotika eröffnen neue Perspektiven für das CBM Experiment bei FAIR.

Mehr Informationen:

Originalveröffentlichung: Andronic A., Braun-Munzinger P., Redlich K. und Stachel J. (2018): Decoding the phase structure of QCD via particle production at high energy. Nature Sep. 20, 2018 issue; DOI: 10.1038/s41586-018-0491-6

 

 

 


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Der ALICE-Detektor am CERN
Die Zeitprojektionskammer (TPC).
Grafische Darstellung der Ergebnisse.
Die Zeitprojektionskammer (TPC – Time Projection Chamber) liefert die größte Datenmenge bei ALICE. Mit der TPC können die Spuren der erzeugten Teilchen sehr genau vermessen werden.
Gezeigt sind die Häufigkeiten (rote und grüne Kreise) der verschiedenen Teilchen und Antiteilchen (Hadronen) als Funktion ihrer Masse. Die Daten sind aus zentralen Stössen zwischen zwei Blei Kernen bei LHC Energie, gemessen von der CERN ALICE Kollaboration. Die theoretischen Vorhersagen (durchgezogene Linien) sind aus dem in der Nature Publikation erklärten Modell der 'Statistischen Hadronisierung' und beschreiben alle Daten über 9 Grössenordnungen, inklusive der am häufigsten produzierten Teilchen (Pionen) mit etwa 1000 Teilchen/Kollision bis zu (Anti-)4 He Kernen mit etwa 1 Teilchen/1 Million Kollisionen. Die gestrichelte Line impliziert Häufigkeiten ohne Resonanz-Zerfällen, d.h. das 'primordiale' Massenspektrum. Bei LHC Energie hängen die Vorhersagen nur von der Masse der Teilchen ab, wenn die gemessenen Häufigkeiten auf den Spin-Entartungsfaktor (2J+1) korrigiert werden. Für schwere Teilchen (Masse M> 1.5 GeV) wird die thermische Natur der Teilchenproduktion klar sichtbar als Exponentialfunktion (gerade Line in logarithmischer Auftragung), entsprechend dem thermischen Boltzmann Faktor exp(-M/T). Die Grösse T ist die Übergangstemperatur zwischen dem Regime von Hadronen und dem von Quarks/Gluonen. Aus dem Bild kann man auch den hohen Grad der Teilchen-Antiteilchen Symmetrie ablesen entsprechend der Übereinstimmung ihrer Häufigkeiten.
Foto: CERN/A. Saba
Foto: CERN
Grafik: Andronic A., Braun-Munzinger P., Redlich K. und Stachel J.