Physiker haben experimentelle Spuren einer kosmischen Flüssigkeitswelle aus den ersten Momenten des Universums nachgewiesen. Die am 22. September in Physical Review Letters veröffentlichten Daten belegen, dass sich Quark-Gluon-Plasma wie eine fast perfekte Flüssigkeit verhält.
In den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall war das Universum von einer extrem heißen Ursuppe aus Quarks und Gluonen erfüllt, bevor es ausreichend abkühlte, um die Bildung von Atomen, Sternen und Planeten zu ermöglichen. Erst später kühlte diese Materie so weit ab, dass sich Protonen, Neutronen und schließlich die Bausteine für Sterne und Planeten bilden konnten. Seit mehr als zwei Jahrzehnten versuchen Forschende, diesen urtümlichen Zustand in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider am CERN in der Schweiz und dem RHIC in New York durch Kollisionen schwerer Ionen nachzubilden. Quark-Gluon-Plasma soll nach gängiger Annahme in genau jenen Augenblicken existiert haben, die unmittelbar auf den Urknall folgten. Am CERN wurde im Jahr 1989 außerdem das World Wide Web ins Leben gerufen.
Der Nachweis der kosmischen Bugwelle am Large Hadron Collider
Lange Zeit ging die Physik davon aus, dass sich die Materie des frühen Universums wie ein Gas verhält. Überraschend zeigte sich jedoch, dass das Quark-Gluon-Plasma die Eigenschaften einer fast perfekten Flüssigkeit mit bemerkenswert geringer Viskosität besitzt. Wenn es sich um eine Flüssigkeit handelt, müssten sich rasch bewegende Teilchen darin eine Spur hinterlassen, argumentierten Physiker. Bislang fehlte dieser Beleg, während Messdaten aus dem Relativistic Heavy Ion Collider gleichzeitig neue Einblicke in jenen Materiezustand lieferten, der kurz nach dem Urknall vorlag.
Das Team um die Physikerin Olga Evdokimov an der University of Illinois Chicago nutzte Teilchenstrahlen als Sonden, um das hochenöchste Plasma zu untersuchen. Die verwendete Technik lasse sich mit medizinischer Bildgebung vergleichen. Weil das Plasma nur für einen winzigen Bruchteil einer Sekunde existiert, mussten die Forschenden die Ereignisse nach dem Zerfall der Kollisionsprodukte akribisch analysieren. Die CMS Collaboration am CERN erzielte damit die erste Beobachtung eines Jet-Diffusions-Wakes in dieser primordialen Materie, was Forschenden neue Einblicke in Eigenschaften jener Materie eröffnet, welche das Universum direkt nach dem Beginn ausfüllte.
Messergebnisse am Relativistic Heavy Ion Collider in New York
Forschende werten diese Abweichung als starkes Indiz für den kritischen Punkt der Kernmaterie. An dieser Stelle wandeln sich normale Protonen und Neutronen in das Quark-Gluon-Plasma um. Co-Autor Rutik Manikandhan erklärte gegenüber dem Portal Live Science, dass die Existenz dieses Punktes Aufschluss darüber gibt, wie sich das Universum aus einer heißen Suppe entwickelte.
Zukünftige Untersuchungen und geplante Modernisierungsschritte bis 2030
Beide Entdeckungen markieren wichtige Schritte, lassen aber Fragen offen. Das Team im Brookhaven National Laboratory betont, dass der gemessene Einbruch vorerst ein einzelnes Indiz darstellt und andere Erklärungen im Raum stehen. Um diese Unklarheiten zu klären, plant die Forschungsgruppe den Abgleich mit komplexen Computermodellen.
Auch die am CERN tätige UIC-Arbeitsgruppe setzt auf noch präzisere Daten des Large Hadron Collider, um das Quark-Gluon-Plasma weiter zu erforschen. Die Großforschungseinrichtung in Genf betreibt einen 27 Kilometer langen Ring in 100 Metern Tiefe, dessen supraleitende Magnete auf minus 271,3 Grad Celsius heruntergekühlt werden. Bis voraussichtlich zum Jahr 2030 soll der Betrieb des LHC jedoch pausieren, da der Teilchenbeschleuniger umfassend modernisiert wird.
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