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Quark-Gluon-Plasma

Quark-Gluon-Plasma

Die Alltagswelt, wie wir sie kennen, ist aus Atomen aufgebaut, bestehend aus einem Atomkern aus Neutronen und Protonen und darum kreisenden Elektronen. Neutronen und Protonen werden aus Quarks gebildet, die von den Kraftteilchen der starken Wechselwirkung, Gluonen genannt, zusammengehalten werden. Der Zusammenhalt zwischen Quarks und Gluonen ist extrem stark, so stark, dass man es nicht schafft, Quarks zu vereinzeln. Unmittelbar nach dem Urknall war das ganz anders.

Wenige Millionstel Sekunden nach dem Urknall war die Energiedichte extrem hoch. Modellrechnungen der starken Wechselwirkung sagen voraus, dass bei diesen hohen Energiedichten ein Phasenübergang von Quarks und Gluonen in ein Plasma stattfindet. In diesem Quark-Gluon-Plasma sind die Quarks und Gluonen nicht zu Materieteilchen gebunden, sondern können sich frei bewegen. Dieser Zustand unmittelbar nach dem Urknall war jedoch nicht von Dauer. Das Quark-Gluon-Plasma kühlte sich ab, und ab einer gewissen Temperatur bildeten sich erste gebundene Teilchen: Protonen und Neutronen. In der Folge entstand normale Materie, wie wir sie kennen. Dieses Herausbilden von Teilchen aus dem Quark-Gluon-Plasma hatte großen Einfluss auf die anschließende Entwicklung des Universums. Deshalb sollen die Eigenschaften dieses Zustandes am LHC untersucht werden.

Der Urknall im Beschleuniger

Im heutigen Universum kann es kein Quark-Gluon-Plasma geben. Es ist aber möglich, diesen Zustand für Bruchteile von Sekunden an Teilchenbeschleunigern zu erzeugen. Dafür werden Protonen oder schwere Atomkerne, beispielsweise Blei-Ionen, auf sehr hohe Energien gebracht und aufeinander geschossen. Bei den Kollisionen entsteht für sehr kurze Zeit ein Quark-Gluon-Plasma, das jedoch sofort zerfällt. Dabei werden Teilchen freigesetzt, die man mit Detektoren untersuchen kann und die Aufschluss geben über die Bedingungen, die im Quark-Gluon-Plasma herrschen.

Am LHC wird es der ALICE-Detektor sein, der diese Vorgänge aufzeichnet und analysiert. Da am LHC bei den Teilchenkollisionen deutlich höhere Energien erreicht werden und der Quark-Gluon-Plasma-Zustand über einen längeren Zeitraum existiert als bei jedem anderen Beschleuniger in der Vergangenheit, erhoffen sich die Wissenschaftler neue Erkenntnisse über die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas.

links: ungebundene Quarks und Gluonen (Quark-Gluon-Plasma);
Mitte: Bestandteile von Atomkernen formen sich;
rechts: Elektronen binden sich an die Atomkerne, und erste Atome entstehen.
Grafik: CERN


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