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Kurz nach dem Urknall

11.02.2002 - (idw) Fachhochschule Aalen


Prof. Dr. Stock Prof. Dr. Reinhard Stock ist Kernphysiker. Als solcher befindet er sich nach eigenem Bekunden in einem unerbittlichen Kampf mit Hochenergiephysikern. Der selbstgewählte Schauplatz ist ein Neutronenstern mit einem Radius von zwölf Kilometern und der Masse von 1,5 Sonnen. Der Austragungsort: die Aula der Fachhochschule Aalen, 17 Uhr. Dicht besetzt zwar, aber nicht gar so dicht wie das Innere eines Neutronensterns. Dort müssen die Elementarteilchen schon etwas enger zusammenrücken als die 200 interessierten Zuhörer seiner Gastvorlesung. Aus den angegebenen Maßen für einen Neutronenstern lässt sich nämlich eine Dichte von 1014 Tonnen pro ccm in dessen Innern berechnen. Eine solche Energiedichte muss auch 5 Mikrosekunden nach dem Urknall im Universum vorgeherrscht haben, als sich die Elementarteilchen Quarks und Gluonen zu "Kügelchen" wie Protonen und Neutronen formierten, die uns heute als Bestandteile des Atomkerns hinlänglich bekannt sind.

In dieser denkbar jungen Phase des Universalzeitalters lagen demnach die Elementarteilchen noch ungebunden vor, weshalb man hier von einem Quark-Gluon-Plasma spricht. Dieses Plasma hat bei einer Zeitspanne von 10-35 Sekunden nur sehr kurz freien Bestand, weil die Quarks und Gluonen eine riesige Anziehungskraft aufeinander ausüben, die in der Quanten Chromo Dynamik als Farbkraft bezeichnet wird und der sogenannten starken Wechselwirkung zuzuordnen ist. Haben sich Quarks und Gluonen zu einem Nukleon formiert, ist nach Außen hin keine Farbkraft mehr wirksam: die Farbladungen der Elementarteilchen haben sich zu einem farblosen Weiß subtrahiert.

Der Übergang vom Plasma der freien Elementarteilchen in den gebundenen Zustand der Nukleonen wird als Phasenübergang beschrieben. Ein solcher muss im Innern eines Neutronensterns vollzogen sein. Und den Physiker interessiert nun, an welchem Punkt dieser Phasenübergang stattfindet.

In der Theoretischen Physik bedient man sich zur Berechnung dieses Punktes der Gitter-Eich-Theorie, die das Raum-Zeit-Volumen des Universums in einem vierdimensionalen Gitter diskretisiert. Dadurch wird beispielsweise das Integral zur Berechnung der Energiedichte endlichdimensional und kann numerisch bestimmt werden. Diese Berechnungen ergeben, dass ab einer bestimmten Temperatur die Energiedichte sprunghaft zunimmt und dann annähernd konstant bleibt. Als Wert für die thermische Energie am Phasenübergang gaben die Theoretischen Physiker so 170 ± 15 MeV an.

Diesen Wert möchte der Kernphysiker natürlich experimentell bestätigt wissen. Dazu kehrt er im Labor den Prozess der Weltenstehung um: die inzwischen abgekühlten farblos vor sich hinfristenden Nukleonen werden durch eine Kompression derart aufgeheizt, dass sie in ihre elementaren Bestandteile explodieren, bevor sie sich wieder in besagt kurzer Zeit zu den kraftneutralen Systemen zurückbilden, die Hadronen geheißen werden. Diese Kompression erhält man, wenn die Nukleonen in Teilchenbeschleunigern bei nahezu Lichtgeschwindigkeit miteinander kollidieren. Bei der Kollision von Bleikernen im Energiebereich von mehreren Teraelektronenvolt entsteht für eine nicht mehr wahrnehmbare Zeit ein farbgeladenes Protonengas, in dem Quarks und Gluonen ionisiert vorkommen. Wo die Elementarteilchen nicht selbst wahrnehmbar sind, lassen sich doch Ladung und Impuls der aus der Explosion der Bleikerne hervorgegangenen Hadronen nachweisen: In einem Zeitprojektionsdetektor lassen sich pro Kollision rund 2000 Spuren aufzeichnen, die zur Identifikation der beteiligten Teilchen (Hadronen) führen.

Hat man die Teilchen im aufgezeichneten Hadronengemisch identifiziert und ausgezählt, kann aus dem Häufigkeitsverhältnis von Protonen, Mesonen, Pionen, Antiprotonen und was sich sonst noch so in der ungeahnten Artenvielfalt des Teilchenzoos tummelt, die thermische Energie im winzig kleinen Moment der Kernexplosion, in dem die Elementarteilchen als Plasma vorlagen, bestimmen. Dieses Messprinzip wird auch Hadronen-Thermometer genannt. Dabei macht man sich den Umstand zunutze, dass bei steigender Temperatur mehrwertige Teilchen, wie makroskopisch der Sauerstoff (O2), ionisiert (O-) werden. Entsprechend wächst auch das Verhältnis von freien zu mehrwertigen Teilchen bei steigender Temperatur. Kennt man also das Häufigkeitsverhältnis der detektierten Teilchen, kann die beteiligte thermische Energie bestimmt werden. Diese belief sich im Kollissions-Experiment am Phasenübergang bei allen nachgewiesenen Hadronen auf übereinstimmende 159 ± 13,2 MeV, und damit auf einen präziseren Wert als theoretisch prognostiziert. "Jetzt sind die wieder dran!", läutet Prof. Dr. Stock den nächsten Schlagabtausch ein - mit wild entschlossenem Blick in Richtung Hochenergiephysiker.

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