Die Geburt des Universums im Labor: CERN-Wissenschaftler erzeugen aus leichten Kernen die „Ursubstanz“

In den Mauern des CERN ereignete sich ein Ereignis, das mit dem Start einer Zeitmaschine verglichen werden kann. Wissenschaftlern gelang es, die Bedingungen nachzubilden, die in den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall herrschten. Experimente bestätigten die Bildung von Quark-Gluon-Plasma – einem Materiezustand, der als die „Ursubstanz“ unseres Universums gilt.

Temperaturen, die die Sonne 100.000-fach übertreffen

Quark-Gluon-Plasma (QGP) ist nicht einfach nur ein heißes Gas. Es ist ein extremer Zustand, der unter gewaltigem Druck und Temperaturen entsteht, die die Hitze im Zentrum der Sonne mehr als 100.000-fach übertreffen. Unter solchen Bedingungen halten die vertrauten komplexen Teilchen nicht stand und zerfallen in ihre fundamentalen Bestandteile – Quarks und Gluonen.

Fast 14 Milliarden Jahre nach der Entstehung des Universums gelang es Physikern, diese alte Welt kurzzeitig mithilfe von hochenergetischen Kollisionen von Atomkernen im Large Hadron Collider (LHC) wiederherzustellen.

Widerlegung alter Theorien: Leichte Kerne gegen schwere

Lange Zeit herrschte in der wissenschaftlichen Gemeinschaft die Meinung vor, dass für die Entstehung einer solchen extremen Umgebung ausschließlich Kollisionen schwerer Ionen notwendig seien. Man ging davon aus, dass nur Bleikerne, die mehr als 200-mal schwerer als Protonen sind, in der Lage sind, das erforderliche Volumen und die Dichte für die Bildung von Plasma zu erzeugen.

Neue experimentelle Daten haben diese Dogma jedoch widerlegt. Untersuchungen haben bewiesen: Für die Schaffung der Ur-Umgebung reicht die Masse leichterer Atomkerne aus. Kollisionen von Sauerstoff- und Neonkernen im Beschleuniger zeigten deutliche Anzeichen für die Bildung von Quark-Gluon-Plasma.

Der „Jet-Quenching“-Effekt als Hauptbeweis

Wie erkannten die Wissenschaftler, dass sich Plasma gebildet hatte? Der Hauptbeweis war der Energieverlust schneller Quarks und Gluonen beim Durchgang durch die heiße Umgebung. Dieses Phänomen wurde als „Jet-Quenching“ (Abschwächung von Jets) bezeichnet.

Die ATLAS-Kollaboration verzeichnete diesen Effekt, indem sie auf ein Ungleichgewicht von Teilchenstrahl-Paaren achtete. Bei Frontalkollisionen mit einem großen Plasma-Volumen wurde die Energie der Teilchen gedämpft, was zum Marker für die Anwesenheit von QGP wurde.

Die Detektoren CMS und LHCb bestätigten diese Beobachtungen, indem sie die Unterdrückung der Entstehung energiereicher Teilchen feststellten. Bemerkenswerterweise war diese Unterdrückung in Neon-Neon-Systemen sogar stärker als erwartet, bedingt durch die großen Abmessungen des entstandenen Plasma-Volumens.

Materie, die sich wie ein einheitlicher Strom verhält

Neben dem Energieverlust verzeichnete der ALICE-Detektor noch eine weitere fundamentale Eigenschaft. Die Teilchen, die nach der Kollision entstanden, bewegten sich nicht chaotisch, wie es in einem normalen Gas der Fall wäre, sondern koordiniert, als würden sie von einem gemeinsamen Strom erfasst.

Dies deutet darauf hin, dass sich Quark-Gluon-Plasma nicht wie eine Ansammlung einzelner, zerstreuter Teilchen verhält, sondern wie eine einzige, seltene Substanz mit einzigartigen Eigenschaften. Diese Entdeckungen eröffnen neue Horizonte im Verständnis davon, wie sich die Materie zu Beginn der Existenz unseres Universums gebildet hat.