Kernmaterie unter extremen Bedingungen

Im Labor erzeugen Physiker einen Feuerball mit einer Materiedichte, die sonst nur Inneren von Neutronensternen herrscht, und einer Temperatur, die hunderttausendfach höher ist als die im Zentrum der Sonne. Auf diese Weise wollen sie herausfinden, wie sich Atomkerne unter extremen Bedingungen verhalten.

Weltweit werden an den größten Beschleunigeranlagen Experimente mit hochenergetischen Ionenstrahlen durchgeführt, um die Eigenschaften von Kernmaterie bei extrem hohen Dichten und Temperaturen zu untersuchen. Dazu werden zwei schwere Atomkerne auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann zur Kollision gebracht. Dabei entsteht für Bruchteile von Sekunden ein hoch komprimierter und heißer Feuerball.

Dieses Gebilde explodiert in Tausende subatomarer Teilchen, von denen die meisten erst in der Kollision entstehen. Die Dichte im Feuerball übersteigt um etwa das Zehnfache die ohnehin schon enorme Dichte in normalen Atomkernen. Wäre der Feuerball so groß wie ein Stück Würfelzucker, besäße er eine Masse von drei Milliarden Tonnen. Solche Materiedichten kommen in der Natur nur im Inneren von Neutronensternen vor. Die Temperatur des Feuerballs ist hunderttausendfach höher als die im Zentrum der Sonne.

Bei solch hohen Dichten und Temperaturen lösen sich die Protonen und Neutronen in ihre Bestandteile – Quarks und Gluonen – auf. Damit sind diese nicht mehr in Nukleonen gebunden und das Confinement ist aufgehoben. Die Theorie der Starken Wechselwirkung, die Quantenchromodynamik (QCD), sagt hier einen Phasenübergang von Kernmaterie in ein Plasma aus Quarks und Gluonen voraus. Kernmaterie kann also verschiedene Zustandsformen in Abhängigkeit von Temperatur und Druck annehmen, ähnlich wie Wasser, das je nach Temperatur und Druck flüssig, fest oder gasförmig sein kann.

Phasendiagramm der Kernmaterie

Für besonders hohe Temperaturen oder Dichten erwartet man, dass sich ein Quark-Gluon-Plasma bildet. Man nimmt heute an, dass dieser Phasenübergang je nach Temperatur und Dichte unterschiedlich abläuft: Bei hohen Dichten und niedrigen Temperaturen bildet sich erst eine gemischte Phase aus Hadronen, Quarks und Gluonen, ähnlich wie Wasser am Siedepunkt in eine Phase aus Tröpfchen und Dampf übergeht. In Analogie zum Wasser wird auch für Kernmaterie ein kritischer Punkt vermutet, in dem besonders große Dichteschwankungen erwartet werden.

Jenseits des kritischen Punktes, bei kleinen Dichten und hohen Temperaturen, gehen die Hadronen kontinuierlich in das Quark-Gluon-Plasma über. Nach unserem heutigen Verständnis war dies die „Ursuppe“, aus der das heiße Universum kurz nach dem Urknall bestand. Heute könnte Quark-Gluon-Materie noch im Zentrum von Neutronensternen existieren, allerdings bei sehr hohen Dichten und vergleichsweise niedrigen Temperaturen.

Gegenwärtige und zukünftige Experimente konzentrieren sich auf die Erforschung von zwei Bereichen des Phasendiagramms von Kernmaterie: Bei hohen Temperaturen und niedrigen Materiedichten sollen die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas detailliert untersucht werden. Bei hohen Materiedichten und niedrigen Temperaturen wird nach dem Phasenübergang, dem kritischen Punkt und neuen Formen von komprimierter Kernmaterie gesucht. Die Temperatur und die Dichte der Materie im Feuerball beeinflussen die Anzahl und die Eigenschaften der im Stoß herausgeschleuderten Teilchen, ihre Energie, ihre Masse und Zusammensetzung.

Eine besondere Rolle spielen hierbei solche Teilchen, die aus der frühen und dichten Phase des Feuerballs stammen und nur wenig durch die spätere hadronische Phase beeinflusst werden. Dazu gehören besonders Teilchen, die bereits im Inneren des Feuerballs zum Beispiel in Elektron-Positron-Paare zerfallen. Interessant sind auch instabile Teilchen, die aus schweren Quarks bestehen.

Eine weitere wichtige Beobachtungsgröße ist das Expansionsverhalten der Materie nach einer Kollision, der sogenannte kollektive Fluss der Teilchen. Ähnlich wie die Hubble-Konstante die Expansion des Universums charakterisiert und damit Rückschlüsse auf den Urknall ermöglicht, erlaubt der kollektive Teilchenfluss Rückschlüsse auf den Zustand der Materie im frühen Feuerball.