Als der Weltraum flüssig war

Dass unser Universum extrem heiß war, als es mit dem Urknall entstand, gehört inzwischen zur Allgemeinbildung. Doch dass der Weltraum damals auch flüssig war – tatsächlich sogar zehn- bis zwanzigmal flüssiger als Wasser –, das ist selbst für Hochenergie-Teilchenphysiker eine überraschende Erkenntnis. Die Wissenschaftler sind beim Versuch, die Urzeit gleichsam im Labor nachzukochen, auf Eigenschaften der Materie gestoßen, die so nicht vorausgesagt wurden.

Schon die antiken Atomisten Demokrit und Leukipp vermuteten vor 2500 Jahren, dass die Welt aus kleinsten Teilchen besteht, die im Vakuum herumflitzen. Diese Idee wurde von der modernen Physik aufgegriffen, wenn auch in einer viel komplexeren und raffinierteren Gestalt, als es sich Menschen selbst vor 100 Jahren je hätten ausmalen können. Nach dem durch Experimente hervorragend bestätigten und mit Nobelpreisen förmlich gepflasterten Standardmodell der Elementarteilchen besteht die Materie aus Quarks und Leptonen, die über Austauschteilchen namens Bosonen miteinander interagieren. Die uns vertraute Materie, aus der wir auch selbst zusammengesetzt sind, wird von den sogenannten up- und down-Quarks aufgebaut, die Protonen und Neutronen bilden, sowie den leichtesten Leptonen, den Elektronen. Zu den Austauschteilchen gehören die Photonen, die Vermittler der elektromagnetischen Kraft, und die Gluonen, die Überträger der starken Kernkraft. Die Gluonen wirken zwischen den Quarks. Sie halten die Protonen und Neutronen zusammen – und folglich auch alle Atomkerne.

+++ QUARKS IM FLOTTEN DREIER +++

Normalerweise kommen Quarks nicht einzeln vor. Das heißt, sie sind nie isoliert voneinander, sondern bilden entweder ein intimes Paar wie beim Meson (aus einem Quark und einem Antiquark) oder einen flotten Dreier wie beim Proton (zwei up-Quarks, ein down-Quark) und beim Neutron (zwei down-Quarks, ein up-Quark). Wollte man Quarks voneinander trennen, bräuchte man so viel Energie, dass aus dieser sofort neue Quarks entstehen – denn Albert Einstein zufolge sind Energie und Masse äquivalent. Diese sonderbare Eigenschaft, „Confinement” („Einsperrung”) genannt, mutet bizarr an, ist experimentell aber sehr gut bestätigt.

Der einzige Weg, Quarks zu trennen, besteht darin, das Vakuum zwischen ihnen gleichsam zu schmelzen. Aber das erfordert Energien, wie sie nur kurz nach dem Urknall herrschten und heute fast nirgendwo mehr zu finden sind – außer wahrscheinlich im Inneren von Neutronensternen, deren Dichte so hoch ist, dass die gesamte Masse der Cheopspyramide in ein Volumen von der Größe eines Stecknadelkopfs passen würde. Diese kollabierten Sternruinen sind keinem Forscher zugänglich. Bis eine Hunderttausendstel Sekunde nach dem Urknall herrschten überall im Universum solche extremen Dichten, Drücke und Temperaturen wie im Zentrum der Neutronensterne. Das bedeutet, dass die Urmaterie noch nicht in Form von Protonen und Neutronen organisiert war, sondern aus einem wilden Gemenge von Quarks und Gluonen bestand.

Dieses Quark-Gluon-Plasma (QGP) zu erforschen, zählt seit Jahrzehnten zu den ehrgeizigsten Zielen der Elementarteilchenphysiker. Von Plasma sprechen sie, weil das QGP aus frei beweglichen Ladungsträgern besteht. Im Gegensatz zum gewöhnlichen Plasma, wie es in der Sonne vorkommt und in zahlreichen technischen Anwendungen auf der Erde, setzt sich das QGP aber nicht aus Trägern elektromagnetischer Ladung zusammen – aus Ionen, Elektronen und Radikalen –, sondern aus Trägern der sogenannten Farbladung, und das sind eben Quarks und Gluonen. Nach außen hin ist das QGP allerdings neutral. Es ist rund 1000 Mal heißer und eine Milliarde Mal dichter als das heißeste elektrodynamische Plasma.

+++ FEUERBÄLLE +++

Urknall und Neutronensterne sind räumlich und zeitlich weit von uns entfernt. Um das QGP besser zu verstehen, sind Kosmologen und Astrophysiker deshalb auf ihre Kollegen von der Teilchenphysik angewiesen. Die können zwar nicht nach den Sternen greifen und das QGP auf die Erde holen – aber sie können es immerhin dort erschaffen. Die Grundidee: Lässt man Atomkerne mit ungeheuerer Wucht aufeinanderprallen, wird so viel Energie frei, dass ein heißer Feuerball entsteht, wie er kurz nach dem Urknall allgegenwärtig war. Darin sollte dann einige Nanosekundenbruchteile lang der exotische Zustand des QGPs herrschen. Der Feuerball würde aus einem Gemisch von vielen Zehntausenden Teilchen bestehen, sich ausdehnen und abkühlen. Im Gegensatz zu dem beim Urknall wäre er freilich begrenzt, aber dafür würde er sich auch viel schneller entwickeln – um etwa 18 Größenordnungen.

„Eine fundamentale Frage in der Physik ist, was letztlich geschieht, wenn man Materie immer weiter erhitzt”, sagt Peter Braun-Munzinger von der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt. Darüber hatte der Physiker Rolf Hagedorn 1965 als Erster aus der Perspektive der Teilchenphysik genauer nachgedacht. Und nachdem das Quark-Modell entwickelt war, erschienen 1975 die ersten Arbeiten zum QGP.

Wie seltsam sich diese heiße Materie verhält, ahnte damals freilich noch niemand. Nur mit hochempfindlichen Detektoren und Analysemethoden lassen sich aus den Feuerbällen im Labor die Spuren des QGPs erschließen. Erste Anzeichen davon meinten Forscher der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN bei Genf im Jahr 2000 nach der langwierigen Auswertung von Experimenten am Super Proton Synchrotron aufgespürt haben. Die Interpretationen waren aber umstritten und die Daten nicht zuverlässig genug.

Nach zehnjähriger Bauzeit ging im selben Jahr der Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory in Upton auf Long Island, New York, in Betrieb (bild der wissenschaft 12/2000, „Die Urknall-Maschine”). Darin werden auf einer vier Kilometer langen Kreisbahn zwei gegenläufige Strahlen aus Gold-Atomen mithilfe von supraleitenden Magneten auf 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit Energien von 100 Gigaelektronenvolt aufeinander geschossen. „Bei jeder Kollision entsteht ein winziger Feuerball, der 100 000 Mal heißer ist als das Zentrum der Sonne”, sagt Peter Braun-Munzinger. Pro Feuerball werden rund 7500 Quarks freigesetzt oder erzeugt. Manche kollidieren miteinander und bilden dabei zwei kegelförmige Ströme von Sekundärteilchen. Diese Jets rasen in entgegengesetzten Richtungen davon. Die Feuerbälle währen lediglich 10–23 Sekunden. Doch das ist lange genug, um die Jets zu behindern. Wenn ein QGP im Feuerball entsteht, so die Annahme, wird der eine Jet stärker abgebremst als der andere, weil die Jets nicht exakt im Mittelpunkt der Kollisionen entstehen, das QGP also mal dem einen und mal dem anderen Jet stärker im Weg ist.

+++ FLIEGEN IM HONIG +++

Solche asymmetrischen Jets haben die Forscher am RHIC inzwischen tatsächlich beobachtet. Das ist ein gutes Indiz für die Entstehung des QGP, zumal die Energien für diesen Phasenübergang im vorausgesagten Bereich von etwa 170 Megaelektronenvolt pro Teilchen liegen, entsprechend einer Transitionstemperatur von einer Billion Grad.

„Viele Theoretische Physiker und eine große Zahl der Experimentatoren denken, dass RHIC das Quark-Gluon-Plasma nachgewiesen hat”, sagt Thomas Kirk vom Brookhaven National Laboratory. „Aber nicht alle sind davon überzeugt.” Das hat zum einen damit zu tun, dass die Indizien nur indirekt sind, weil das QGP so kurzlebig ist und die vorhergesagten Signaturen stark von den theoretischen Modellen abhängen – etwa von Energiedichte, Temperatur, Dynamik und der Anreicherung von strange-Quarks, die durch die Verschmelzung von Gluonen entstehen. „Zum anderen weichen die von RHIC gemessenen Effekte von unseren Erwartungen ab”, sagt Kirk. „Das ist alles aufregend neu.” Die Forscher hatten angenommen, dass die QGP-Teilchen sich wie in einem dünnen Gas verhalten und den Jets nur geringen Widerstand entgegensetzen. Doch das ist nicht der Fall. Die Jets wurden rund zehnmal stärker absorbiert als vorausgesagt. „Die Jet-Partikel scheinen im QGP festzustecken wie Fliegen im Honig”, veranschaulicht es Kirk. Das QGP ist den Messungen zufolge 30- bis 50-mal dichter als erwartet – ein erstaunliches Ergebnis!

+++ QUARKSUPPE +++

Vielleicht ist der Zusammenhalt von Quarks und Gluonen im QGP also doch nicht völlig aufgehoben und es gibt noch starke Wechselwirkungen. Manche Mesonen, die aus schweren Quarks bestehen, etwa aus dem charm-Quark, könnten sich erst auflösen, wenn sie Energien um 350 Megaelektronenvolt haben. Möglicherweise gibt es auch verschiedene gebundene Zustände im QGP, wird spekuliert. Jedenfalls waren die bisherigen Vorstellungen zu simpel – vorausgesetzt, die Physiker interpretieren die Daten richtig. Akzeptiert man die RHIC-Ergebnisse, dann verhält sich das QGP zumindest bei Energien knapp über der Bildungsenergie nicht wie im gasförmigen Zustand, sondern eher wie im flüssigen. „ Statt durcheinander zu wirbeln wie in einem Gas, bewegen sich die Teilchen im Verbund wie in einer Flüssigkeit”, sagt Edward Shuryak, Direktor des Center for Nuclear Theory an der State University of New York in Stony Brook, der die Bezeichnung „ Quark-Gluon-Plasma” 1978 geprägt hat. „Tatsächlich ist das die perfekteste Flüssigkeit, die wir kennen.” Das QGP ist sozusagen 10- bis 20-mal flüssiger als Wasser. „Das hat uns außerordentlich überrascht”, gibt Shuryak zu. „Ließe man einen Tropfen aus ein paar Tausend Wassermolekülen explodieren, würden die Atome einzeln davonfliegen. Aber die Teilchen im RHIC-Experiment bewegen sich gemeinsam.” Das widerspricht der Intuition. „Man erwartet, dass der Zustand bei höheren Temperaturen eher einem Gas als einer Flüssigkeit ähnelt”, sagt Ulrich Heinz vom CERN. Doch es ist gerade umgekehrt. Jetzt müssen die Theoretiker gewissermaßen die Quarksuppe auslöffeln.

Mit Computersimulationen versuchen Shuryak und viele seiner Kollegen dieses seltsame Verhalten zu verstehen. Anscheinend hat die Natur noch ganz unbekannte Seiten. Shuryak beschreibt die Situation so: „Christoph Columbus hatte die korrekte Theorie, dass man von Europa nach Indien kommt, wenn man nach Westen segelt. Aber er entdeckte auf der Reise, dass es dazwischen noch etwas anderes gibt. Wir hatten die wohl korrekte Theorie, dass bei einem Anstieg der Temperatur ein einfaches Gas aus Quarks und Gluonen entsteht. Aber wie es sich gezeigt hat, liegt bei der Überquerung der Phasengrenze etwas Kompliziertes dazwischen.”

+++ ALICE IM WUNDERLAND +++

Wie die wilde Landschaft der QGP-Physik aussieht, können die Forscher gegenwärtig kaum abschätzen. Es ist wie nach den Fahrten von Columbus: Der neue Kontinent ist entdeckt und als solcher erkannt, aber damit beginnt die Exploration erst. Doch die nächsten „Expeditionen” sind bereits unterwegs. Der neue Schlüssel zum Wunderland des QGP heißt ALICE. Das Akronym steht für „A Large Ion Collider Experiment” und bezeichnet einen 16 Meter hohen und 26 Meter langen Detektor des Large Hadron Collider (LHC) der Europäischen Organisation für Kernforschung CERN. Diese Supermaschine bei Genf ist der größte und stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt (bild der wissenschaft 9/2007, „ Die Erkenntnismaschine”). Er hat seinen Betrieb am 10. September 2008 kurz aufgenommen und wird, wenn die inzwischen nötigen Reparaturen abgeschlossen sind, frühestens im Sommer wieder anlaufen. Am 19. September hatte eine defekte elektrische Verbindung zwischen zwei Beschleunigermagneten zu mechanischen Schäden und der Freisetzung von Helium aus den Magneten geführt.

An ALICE sind über 1000 Wissenschaftler und Ingenieure aus 30 Ländern beteiligt. Mit seinem 10 000 Tonnen schweren Magneten „ enthält ALICE mehr Eisen als der Eiffelturm”, sagt Peter Braun-Munzinger. Er sieht ein „großes Potenzial für Entdeckungen” . Wenn alles klappt und die Tests erfolgreich sind, werden im LHC jedes Jahr einige Wochen lang auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Blei-Atome mit 1150 Gigaelektronenvolt aufeinander geschossen. „Im LHC wird so viel Energie konzentriert, wie man braucht, um einen Bleistift einen halben Zentimeter anzuheben”, veranschaulicht Braun-Munzinger das gewaltige Experiment. Die Detektoren im LHC, vor allem ALICE, werden dann viele der Kollisionstrümmer akribisch registrieren. Mit einem riesigen Rechenaufwand können die Physiker daraus Rückschlüsse auf die Eigenschaften des QGPs ziehen, das sich für einen Augenblick im Tohuwabohu jedes einzelnen Mini-Urkalls bildet. Und davon werden im LHC bis zu 50 000 pro Sekunde stattfinden, bei denen jeweils bis zu 60 000 geladene Teilchen entstehen.

Jetzt warten die Forscher gespannt, was ALICE im Wunderland an Seltsamkeiten entdeckt. Wird die perfekte Flüssigkeit auch bei höheren Temperaturen und Dichten noch da sein? Gibt es Anzeichen für eine Physik jenseits des QGPs? Brechen womöglich die Quarks selbst auseinander? Vor allem aber geht es darum herauszufinden, wie sich das QGP in unsere heutige niederenergetische Welt verwandelt hat. Denn dieser Entwicklungsschritt des Universums war die entscheidende Voraussetzung für jedes einzelne Proton und Neutron im All – und auch für die Gehirne, die sich jetzt daran machen, den Stoff zu ergründen, aus dem sie selbst bestehen. ■

von Rüdiger Vaas