Blick in die kosmische Ursuppe

Seit März 2010 läuft er im Routinebetrieb – der Large Hadron Collider LHC in Genf, der stärkste Beschleuniger aller Zeiten. Normalerweise bringt er Wasserstoffkerne (Protonen) auf neue Rekordenergien. Ab Herbst 2010 jedoch soll der 27 Kilometer große Ring erstmals die Kerne von Bleiatomen mit voller Wucht aufeinanderfeuern. Dann schlägt die Stunde von ALICE: Der büro-hausgroße, 10.000 Tonnen schwere Teilchendetektor ist darauf spezialisiert, die energiereichen Kollisionen der schnellen Bleikerne haarklein zu analysieren. Maßgeblich beteiligt sind Physiker des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Sie haben zwei der insgesamt 18 Subdetektoren von ALICE federführend mitentwickelt. Mit den Bleiexperimenten am LHC wollen die Physiker einen Materiezustand erzeugen, wie es ihn kurz nach dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren gegeben haben muss – das Quark- Gluon-Plasma. So nennt der Fachmann eine Art kosmische Ursuppe bestehend aus Quarks, den Bausteinen von Protonen und Neutronen, sowie aus Gluonen, „Klebeteilchen“, die die Quarks im Atomkern zusammenhalten. Unmittelbar nach seiner Geburt muss der junge Kosmos aus dieser extrem heißen Ursuppe bestanden haben – wenn auch nur für einige Mikrosekunden. Dann dehnte er sich weiter aus und wurde immer kälter, so dass die Materie entstehen konnte, aus der Sterne und Planeten bestehen.

Wenn der LHC Bleikerne mit Rekordenergie aufeinanderschießt, kann er das Quark-Gluon-Plasma künstlich erzeugen und damit jene Bedingungen rekonstruieren, die im frühen Universum geherrscht hatten. Allerdings dürfte diese „Labor- Ursuppe“ nur ungefähr 10-23 Sekunden lang existieren. Danach zerplatzt sie in Tausende von Teilchen, die in alle Richtungen davonstieben. Damit die Physiker das Quark-Gluon-Plasma rekonstruieren können, wird ALICE alle diese Teilchen möglichst genau vermessen – eine präzise Riesenkamera für hochenergetische Kollisionen. ALICE besteht aus 18 hochkomplexen Untersystemen. Zwei davon hat das GSI federführend gebaut, und zwar in Zusammenarbeit mit den Universitäten in Heidelberg, Frankfurt, Darmstadt und Münster. Die Zeitprojektionskammer (TPC) misst die Spuren der geladenen Teilchen, die bei einer Kollision produziert werden.

Sie hat die Form eines Zylinders, ist rund fünf Meter lang und dick und mit einem speziellen Gas gefüllt. Die Teilchen, die nach einer Kollision durch die Kammer jagen, ionisieren dieses Gas. Dadurch entstehen regelrechte Spuren aus Elektronen, die von einem elektrischen Feld zu den Kappen des Zylinders gezogen werden. Dort registrieren Sensoren die Elektronen, anschließend kann eine ausgefeilte Software sämtliche Spuren rekonstruieren – und zwar in 3D. „Die TPC ist wie eine große,dreidimensionale Digitalkamera mit extrem vielen Pixeln“, erläutert GSI-Physikerin Dr. Ana Marin. „Sie ist die weltweit Größte ihrer Art.“

Der Clou: Die Spuren der geladenen Teilchen werden durch ein starkes Magnetfeld gekrümmt. „Indem wir die Krümmung der Spuren messen, können wir auf den Impuls der Teilchen schließen“, sagt Marin. „Das ist eine wichtige Messgröße für die Rekonstruktion des Plasmas.“ Außerdem ermittelt die Kammer die Energiedeposition der Teilchen im Kammergas. Daraus können die Forscher schließen, welche Teilchensorte welche Spur verursacht hat. Eine anspruchsvolle Aufgabe: Die Forscher rechnen mit bis zu 10.000 geladenen Teilchen, die bei einer Kollision durch den Detektor stieben.

Die zweite Komponente, die die GSI-Experten maßgeblich mitgestaltet haben, ist der Übergangsstrahlungsdetektor. Er hilft den Forschern, die bei der Kollision entstehenden Elektronen zu identifizieren. Außerdem trägt er dazu bei, physikalisch uninteressante Kollisionen auszusondern, die dann gar nicht erst gespeichert werden müssen. Dadurch wird die Ausleseelektronik von ALICE deutlich entlastet. Der LHC wird die Bleikerne mit rund 30-mal höherer Energie aufeinanderprallen lassen als kleinere Beschleuniger wie RHIC in den USA. „Bei den älteren Experimenten ging es vor allem darum, per Indizienbeweis zu zeigen, dass es das Quark-Gluon- Plasma überhaupt gibt“, erläutert Ana Marin. „Beim LHC erwarten wir, dass das Plasma länger existiert und ein größeres Volumen einnimmt. Das gibt uns die Möglichkeit, die Eigenschaften des Plasmas erstmals näher zu untersuchen.“ Nicht weniger als 1500 Physiker aus aller Welt sind an ALICE beteiligt.

Letztendlich hoffen sie, neue Details über die Frühphase des Universums aufzuspüren. Erste Messungen mit Protonen-Kollisionen hat ALICE bereits absolviert und erste Resultate sind bereits publiziert. „Der Detektor läuft hervorragend“, sagt Ana Marin. „Es funktioniert alles so, wie es soll.“ Richtig spannend aber wird es im Herbst. Dann sollen erstmals einen Monat lang Bleikerne im Genfer Ring kreisen. „Und das“, so Marin, „ist dann die Feuertaufe für ALICE.“