Der neue Schwerionen-Beschleuniger in New York soll nachahmen, was kurz nach dem Urknall geschah. Kritiker fürchten, er könnte ein Schwarzes Loch erzeugen, das die Erde verschlingt.
RHIC sorgt für Zündstoff. Für die einen bedeutet er das Ende unseres Universums, für die anderen den Ursprung eines neuen Kosmos. Dabei ist sein Ziel bescheidener und ehrgeiziger zugleich: Er soll die Verhältnisse Sekundenbruchteile nach dem Urknall nachahmen. RHIC steht für „Relativistic Hadron Ion Collider”. Diese von 1991 bis 1999 gebaute und nun eingeweihte Teilchenrennbahn des BNL ist die größte und leistungsfähigste ihrer Art. Nach einer Vorbeschleunigung in anderen Beschleunigern werden Gold-Ionen oder -Protonen in RHIC von 1740 supraleitenden Magneten auf 99,995 Prozent der Lichtgeschwindigkeit gebracht. 100000mal pro Sekunde und bis zu zehn Stunden lang rasen die Partikel durch die beiden Beschleuniger- und Speicherringe. Die haben einen Umfang von 3,8 Kilometer und kreuzen sich an sechs Stellen. Dort kommt es zu vielen tausend frontalen Zusammenstößen pro Sekunde. Dabei entstehen heftige Partikelschauer, die von riesigen Detektoren aufgezeichnet und mit Hilfe hochgezüchteter Computertechnik akribisch analysiert werden.
Vier Nachweisgeräte arbeiten in RHIC bereits erfolgreich. Das Gold, das dabei verschossen wird, fällt finanziell übrigens kaum ins Gewicht: Im Lauf von 20 Jahren verschleudert RHIC nicht einmal ein Gramm davon. Fast tausend Forscher von fast hundert Institutionen aus 19 Ländern arbeiten mit RHIC. Eines ihrer Hauptziele ist es, eine neue Form der Materie zu studieren, die nur vorkam, als das Universum noch extrem heiß und dicht war, zehn millionstel Sekunden nach dem Urknall: das Quark-Gluon-Plasma.
Im Gegensatz zur gewöhnlichen Materie, deren Protonen und Neutronen aus jeweils drei Quarks bestehen, die über die kraftübertragenden Gluonen miteinander wechselwirken, sind die Quarks und Gluonen im Quark-Gluon-Plasma frei und interagieren wild miteinander. RHIC kann durch die Kollisionen Temperaturen erzeugen, die 100000mal höher sind als im Zentrum der Sonne. Dadurch werden Neutronen und Protonen zum Schmelzen gebracht, und die Quarks und Gluonen haben für einen Moment freies Spiel – etwa 10-23 Sekunden lang. Für eine direkte Beobachtung ist diese Zeit viel zu kurz. Doch aus dem Teilchenschauer, der bei diesem Mini-Urknall entsteht, können die Physiker indirekte Rückschlüsse ziehen. So wird die Bildungsrate eines Teilchens namens J/Psi durch das Quark-Gluon-Plasma herabgesetzt, weil Charm-Quarks oder -Antiquarks mit den Quarks des Plasmas wechselwirken und für die J/Psi-Bildung nicht mehr so häufig zur Verfügung stehen. Andere Partikel im Teilchenschauer, beispielsweise Rho-Mesonen, sind etwas leichter als normal, weil im Plasma die massenerzeugende Wechselwirkung mit dem Vakuum eingeschränkt ist. Experimente am CERN haben kürzlich Anzeichen dieser und anderer Effekte entdeckt, doch für exakte Aussagen und zuverlässige Statistiken genügen die Daten noch nicht. RHIC erreicht mit seinen Kollisionsenergien von zunächst 30 und später 100 Gigaelektronenvolt jedoch die vier- beziehungsweise zehnfache Energie des CERN und verspricht deshalb einen Königsweg zum Studium des Quark- Gluon-Plasmas.
„RHIC ist zur Zeit der einzige Ort für diese Art der Forschung” , sagt John Marburger, Direktor am BNL. Miklos Gyulassy, Physiker an der Columbia University, scheut auch große Vergleiche nicht: „ RHIC wird so revolutionär für die Hochenergie-Teilchenphysik sein wie das Hubble-Weltraumteleskop für die Astronomie.” Schlagzeilen machten allerdings nicht die spektakulären Einblicke, die RHIC verspricht, sondern Science-fiction-Hysterien. Vor der RHIC-Einweihung gab es sogar Demonstrationen. Gleich drei Gefahren wurden heraufbeschworen:
RHIC könnte ein Schwarzes Loch erzeugen, das die ganze Erde verschluckt. Diese Befürchtung ist unbegründet, denn RHIC kann zwar enorm viel Energie auf wenig Raum konzentrieren, doch die Gesamtenergie ist dabei nicht größer als die Energie, mit der eine Stechmücke gegen ein Fenster fliegt. RHIC könnte seltsame Materie erzeugen, die alles, was mit ihr in Kontakt kommt, mit Lichtgeschwindigkeit in etwas Unbekanntes verwandelt. Doch das ist extrem unwahrscheinlich, wie Tim Hallmann vom Brookhaven National Laboratory begründet hat. Die seltsame Materie müßte nämlich bei äußerst geringen Energieniveaus vorkommen. Sie müßte viel stabiler und somit langlebiger sein, als Physiker annehmen. Und sie müßte im Gegensatz zu den Voraussagen negativ geladen sein, denn ein positives seltsames Materieteilchen würde sofort von einem Schwarm negativer Elektronen eingehüllt und von seiner Umgebung isoliert. RHIC könnte, so die schlimmste Schwarzmalerei, sogar das Weltall vernichten, wenn er es in einen niedrigeren Vakuum-Energiezustand versetzen würde – was voraussetzt, daß das heutige Vakuum instabil ist. „Das würde zu einer Kettenreaktion führen, die buchstäblich das ganze Universum mit Lichtgeschwindigkeit zerstören würde”, sagt Brookhaven-Physiker Tom Ludlam. Doch auch dieser Weltuntergang muß niemandem schlaflose Nächte bereiten: Wenn RHIC das All in einen niedrigeren Energiezustand treiben könnte, wäre dies nämlich längst geschehen. Denn Kollisionen zwischen Teilchen der Kosmischen Strahlung und den Himmelskörpern können wesentlich mehr Energie freisetzen als RHIC – und sie ereignen sich ständig (bild der wissenschaft 12/1998, „Höchste Energien aus dem All”). Zu kreativen Zukunfts-Ehren ist RHIC auch schon gekommen. Im 1998 erschienenen Science-fiction-Roman „Cosm” von Gregory Benford, Physik-Professor an der University of California in Irvine, spielt RHIC eine Hauptrolle. Durch die Kollisionen schwerer Ionen dort entsteht zufällig ein neues Universum, das mit unserem verbunden bleibt, und in dem die Zeit millionenfach schneller vergeht. Ein solches Ereignis wird von den Naturgesetzen tatsächlich erlaubt, ist aber außerordentlich unwahrscheinlich. Doch gute Publicity bringt es der Teilchenphysik allemal.
Die Teilchendetektive VIER RIESIGE DETEKTOREN erhaschen RHICs Kollisionsprodukte: PHENIX (Pioneering High Energy Nuclear Interaction Experiment) ist mit 3000 Tonnen Masse der größte Detektor. Seine flügelartig angeordneten Magnete fangen viele hundert Partikel ein, die nach einer Kollision seitlich davonschnellen. STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) wiegt 1200 Tonnen. Der faßförmige Detektor ist darauf spezialisiert, viele tausend elektrisch geladene Teilchen nachzuweisen. BRAHMS (Broad Range Hadron Magnetic Spectrometer Experiment) sucht nach schweren Partikeln in einem eng begrenzten Winkel und mißt präzise ihre Eigenschaften. PHOBOS (benannt nach einem Marsmond) ist darauf spezialisiert, extrem seltene Kollisionsprodukte aufzuspüren. Nach und nach kommen weitere Instrumente hinzu, darunter das pp2pp-Experiment (polarized proton on polarized proton), das die Wechselwirkung von Protonen über größere Distanzen untersuchen soll.
Rüdiger Vaas
