aus der Forschung der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Ende 2010 aber füllten die Physiker den 27-Kilometer-Ring vier Wochen lang nicht mit leichten Protonen, sondern mit schweren Bleikernen. Damit erzeugten sie einen Materiezustand, wie er unmittelbar nach dem Urknall vor 13,7 Mrd. Jahren geherrscht haben muss – das Quark-Gluon-Plasma. Die GSI in Darmstadt ist maßgeblich an diesen Experimenten beteiligt.

Das Quark-Gluon-Plasma bildete eine kurze, aber wichtige Etappe in der frühen Kindheit des Universums. Während dieser Phase gab es weder Atome noch Atomkerne. Stattdessen war die Materie so unvorstellbar heiß, dass sie als „Suppe“ aus einzelnen Quarks und Gluonen vorlag – Gluonen sind Klebeteilchen, die die Quarks etwa in einem Atomkern zusammenhalten. Mit Beschleunigern lässt sich die kosmische Ursuppe mittlerweile im Labor „nachkochen“. Die Experimente am LHC brachten nicht nur neue Erkenntnisse, sondern auch neue Rekorde.

Riesenkamera für Teilchen

Im Zentrum der Versuche steht der ALICE-Detektor. Mehr als 1000 Experten aus 30 Ländern sind an dem 16 Meter hohen wie breiten Megaexperiment beteiligt, das zur Beobachtung der Kollision der Bleikerne errichtet wurde. Prallen sie mit ungeheurer Wucht aufeinander, kann sich für einen Wimpernschlag ein winziger, ungemein energiereicher Feuerball bilden – das Quark-Gluon-Plasma. Sobald sich dieses Plasma schlagartig ausdehnt, entstehen Tausende unterschiedlicher Teilchen. Mit raffinierter Sensortechnik kann sie ALICE präzise aufspüren. Die Messdaten erlauben es den Physikern, die Bedingungen im Plasma genau zu rekonstruieren.

Verglichen mit den anderen LHC-Detektoren ist ALICE darauf spezialisiert, besonders viele Teilchenspuren gleichzeitig zu erfassen. „Zwei Kernkomponenten von ALICE haben wir entscheidend mitentwickelt“, sagt Prof. Dr. Peter Braun-Munzinger, der bei der GSI die ALICE-Arbeitsgruppe leitet. Die Spurendriftkammer, ein Zylinder mit gut fünf Metern Außendurchmesser, zeichnet die Spuren der vielen tausend geladenen Teilchen auf, die bei der Kollision geboren werden. Der Übergangstrahlungsdetektor dient unter anderem dazu, eine bestimmte Teilchensorte zu identifizieren – Elektronen, die neben anderen Teilchen bei den Bleikollisionen entstehen.

Zigtausendmal heißer als die Sonne

Mit dieser Hightech-Messtechnik konnten die Forscher zeigen, dass ihre im Labor erzeugte Ursuppe heißer und dichter ist als bei älteren, weniger leistungsstarken Beschleunigerexperimenten. Für den kurzen Augenblick des Zusammenpralls herrschen Temperaturen, die 100.000mal höher sind als das Innere der Sonne. Die Drücke übertreffen selbst die Verhältnisse in einem Neutronenstern – deutlich mehr als ursprünglich von vielen Theoretikern erwartet.

Ein weiteres Resultat: Die Urknall-Materie verhält sich fast wie eine „ideale Flüssigkeit“ – Mit diesem Begriff bezeichnen Physiker ein Fluid, das praktisch keine innere Reibung zeigt. „Wir haben gewissermaßen die beste Flüssigkeit hergestellt, die jemals auf der Erde erzeugt wurde“, sagt Braun-Munzinger. Außerdem beobachteten die Wissenschaftler, dass jene Quarks, die sich im Feuerball bilden, im Plasma überraschend stark abgebremst werden. „Das gilt selbst für schwere, exotische Quark-Sorten, auch sie werden merklich abgebremst“, erläutert Braun-Munzinger. „Ein Umstand, der für viele Theoretiker rätselhaft ist.“ Für die Forscher ein weiteres Indiz, dass das Quark-Gluon-Plasma extrem dicht ist.

Verhältnisse wie im Babyuniversum

Für Ende 2011 sind neue Messungen geplant. In der vier Wochen dauernden Messzeit streben die Physiker an, die Anzahl der Blei-Kollisionen deutlich zu steigern. „Dadurch werden wir auch sehr seltene Prozesse detailliert untersuchen können“, erklärt Peter Braun-Munzinger. Letztlich erhoffen sich die Experten wichtige Hinweise auf die Evolutionsgeschichte des Weltalls. Denn wie sich die Ursuppe in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall verhalten hatte, könnte das spätere Schicksal des Universums entscheidend geprägt haben.

Frank Grotelüschen