Physiker haben am CERN mithilfe überraschend kleiner Atomkerne einen mikroskopischen Urknall erzeugt. Forscher der Universität Kopenhagen und der internationalen ALICE-Kollaboration wiesen nach, dass das extrem heiße Quark-Gluon-Plasma auch bei Kollisionen von Sauerstoff- und Neonkernen entsteht, was völlig neue Einblicke in die Kernstruktur ermöglicht.
Quark-Gluon-Plasma im Kleinformat: Warum Sauerstoffkerne Blei ablösen
Über ein halbes Jahrhundert lang galt in der Kernphysik eine eiserne Grundregel: Wer die Urmaterie des Universums im Labor nachbilden will, braucht schweres Gerät. Bis vor Kurzem gingen Wissenschaftler davon aus, dass die extremen Bedingungen des frühen Kosmos nur durch die Wucht massiver Blei-Kerne erzeugt werden können, die aus jeweils 208 Protonen und Neutro-nen bestehen. Doch ein Experiment am Large Hadron Collider des CERN bricht nun mit dieser Annahme, wie eine in Physical Review Letters veröffentlichte Untersuchung zeigt.
Forschende der internationalen ALICE-Kollaboration haben nachgewiesen, dass sich das begehrte Quark-Gluon-Plasma auch bei Kollisionen mit deutlich leichteren Kernen bildet. Konkret untersuchten die Physiker den Zusammenprall von Sauerstoff-16-Kernen, die gerade einmal 16 Nukleonen besitzen, sowie von Neon-20-Kernen. Damit ist das verwendete Material mehr als zwölfmal leichter als Blei und kommt in seiner Masse einem Proton näher als einem schweren Atomkern.
Im ersten Millionstel Teil einer Sekunde nach dem Urknall herrschten im Kosmos Temperaturen, die das Hunderttausendfache des Kerns unseres Sonnensystems übertrafen. Unter diesen extremen Bedingungen löst sich die normale Materie auf, weil die starke Kernkraft ihre Bindung verliert. Quarks und Gluonen bewegen sich dann frei in einer dichten, nahezu reibungsfreien Flüssigkeit. Dieser Zustand bildet die Grundlage für jene winzigen Feuerbälle, die Physiker heute bei nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und aufeinanderprallen lassen.
„We have pushed the boundary for how small the atomic nuclei can be while still recreating this primordial matter – what you could call a Little Big Bang. We now know more about the fundamental conditions required for matter to transition into this extreme state,“
Associate Professor You Zhou, who led the experiment
Wie Neon-Kerne in Form einer Bowlingkugel den Code der Materie verraten
Da das erzeugte Plasma nur Bruchteile von Billionstel einer Billionstel Sekunde überlebt, lässt es sich nicht direkt beobachten. Stattdessen analysieren Physiker die Spuren der Teilchen, die nach dem Zusammenstoß nach außen strömen. Diese Partikelströme bewahren wie ein Schattenwurf die geometrische Gestalt der ursprünglichen Atomkerne, wie Forscher des Niels-Bohr-Instituts an der Universität Kopenhagen darlegen.
Sauerstoff-16-Kerne besitzen eine annähernd kugelförmige Struktur, die aus vier kompakten Alphateilchen in tetraedrischer Anordnung besteht. Kollidieren zwei solcher Kerne, entsteht eine symmetrische Überlappungszone, die ein gleichmäßiges Strömungsmuster erzeugt.
„It is a bit like shining light on an object and seeing its shadow. You cannot see the object directly, but its shadow reveals its shape. In the same way, the movement of the particles reveals the geometric shape of the atomic nuclei that was present at the beginning of the collision.“
Postdoctoral Researcher Emil Gorm Dahlbæk Nielsen from the Niels Bohr Institute
Durch diese Methode dreht die Forschung eine jahrzehntelange Praxis um. Bislang untersuchten Physiker die Struktur von Atomkernen vorwiegend über niederenergetische Experimente wie Rotations- und Schwingungsmessungen. Nun lässt sich die innere Geometrie eines Kerns direkt aus den hochenergetischen Trümmern rekonstruieren.
Ein Paradigmenwechsel für die Kernstrukturphysik
Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse schlagen eine Brücke zur traditionsreichen Kernforschung in Kopenhagen. Bereits im Jahr 1975 erhielt Aage Bohr den Nobelpreis für Physik für seine Arbeiten zur Struktur des Atomkerns. Das genaue Verständnis dieser Strukturen liefert wertvolle Einblicke in die starke Wechselwirkung, eine der vier fundamentalen Kräfte der Natur.
Während frühere Beobachtungen wie die ersten Anzeichen von Quark-Gluon-Plasma im Jahr 2000 zwingend auf schwere Blei-Kerne angewiesen schienen, beweist der Einsatz von Sauerstoff und Neon, dass der Phasenübergang zu Urmaterie universeller ist als bislang angenommen. Die Methode verbindet die Hochenergiephysik des CERN direkt mit den grundlegenden Fragen der Kernphysik. Für die Wissenschaft bedeutet dies laut den beteiligten Instituten einen potenziellen Paradigmenwechsel, der künftig präzisere Einblicke in die Entstehung der Materie erlaubt.
