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Teilchen im Schmelztiegel

Physiker versuchen, die Ursuppe, aus der alle Materie entstand, künstlich zu erzeugen. Jetzt scheint das sogenannte Quark-Gluon-Plasma zum Greifen nah.

Eine der brennendsten Fragen der Kernphysik lautet: Lag der als Quark-Gluon-Plasma bezeichnete Urzustand der Materie nur einmal beim Urknall vor, oder gibt er auch während des Zusammenpralls zweier Atomkerne im Teilchenbeschleuniger ein kurzes Intermezzo?

Die Frage ist nicht leicht zu beantworten, denn das Quark-Gluon-Plasma ist widerspenstig und läßt sich nur indirekt nachweisen. Schießt man mit einem Teilchenbeschleuniger zwei Atom-kerne frontal aufeinander, flammt in der Knautschzone für winzige Bruchteile einer Sekunde ein Feuerball auf, der um so heißer ist, je mehr Energie die Atomkerne zu Anfang hatten.

Die Physiker wollen wissen, ob es im Feuerball heiß genug war, um die Schwelle zwischen gewöhnlicher Kernmaterie und einem Quark-Gluon-Plasma zu überschreiten, bei dem sich die Quarks und Gluonen – die Bestandteile von Protonen und Neutronen – wild durcheinander bewegen. Aber woran erkennt man diesen Zustand?

Forscher am Europäischen Zentrum für Elementarteilchenphysik in Genf (CERN) verfolgen jetzt eine heiße Spur: Bei energiereichen Stößen zwischen schweren Bleikernen haben sie einen Mangel an sogenannten J/Psi-Teilchen festgestellt. Bereits vor zehn Jahren hatten Helmut Satz von der Universität Bielefeld und Tetsuo Matsui vom Yukawa Institut in Kyoto eine massive Unterdrückung von J/Psi-Teilchen durch ein Quark-Gluon-Plasma vorhergesagt. Die Teilchen entstehen in der Frühphase eines Stoßes aus der geballten Energie. Durchlaufen sie auf ihrem Weg zu einem Detektor ein brodelndes Plasma, so widerfährt ihnen das gleiche Schicksal wie den Kernbausteinen: Sie schmelzen dahin.

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Im Unterschied zu den Neutronen und Protonen, die wieder „ausfrieren“, sobald die Temperatur des Plasmas abfällt, sind die J/Psi-Teilchen unwiderruflich verloren. Der Grund: Während Protonen und Neutronen ausschließlich aus up- und down-Quarks bestehen, setzt sich das J/Psi-Teilchen aus einem charm-Quark und seinem Antiteilchen zusammen. Im Quark-Gluon-Plasma sind die charm-Quarks sehr selten, und es ist äußerst unwahrscheinlich, daß später wieder zusammenfindet, was einmal zusammengehörte.

Tatsächlich hatten Forscher schon bei früheren Experimenten mit leichteren Atomkernen festgestellt, daß längst nicht alle produzierten J/Psi-Teilchen den Stoß überleben. Doch die Sache hat einen Haken: Auch in ganz gewöhnlicher, also kalter Kernmaterie, werden J/Psi-Teilchen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit verschluckt. Durch die jüngsten Experimente am CERN mit schweren Bleiatomkernen hat sich die Situation zugespitzt: „Was uns Forscher in Aufregung versetzt, ist das Ausmaß der J/Psi-Unterdrückung“, sagt Helmut Satz. „Es ging weit über die normale Absorption hinaus.“ Zum Jubeln ist es zu früh, solange andere Ursachen für das Verschwinden nicht definitiv auszuschließen sind.

Möglich wäre beispielsweise, daß einige J/Psi-Teilchen durch Stöße mit anderen Teilchen aufgerieben werden, die beim Zusammenprall der Bleikerne entstanden sind. Der Feuerball, selbst wenn er „unterkritisch“ bleibt, ist eine Brutstätte für mögliche Stoßpartner. „Das Problem an diesem Modell ist, daß es nicht erklären kann, warum die Unterdrückung der J/Psi-Teilchen so plötzlich einsetzt“, wendet Helmut Satz ein. Schon bei Kollisionen zwischen leichteren Atomkernen hätte man von diesem Effekt etwas merken müssen.

Letztlich können nur weitere Experimente Klarheit schaffen. Gespannt sind die Forscher, wie sich die J/Psi-Teilchen bei nicht-frontalen Kollisionen zweier Bleikerne verhalten. In diesem Fall nehmen einige Kernbausteine nur als „passive Beobachter“ am Stoß teil, und es wird im Feuerball nicht ganz so heiß. Durch diese „Feineinstellung“ der Energie möchte man sich davon überzeugen, daß die J/Psi-Teilchen tatsächlich das für einen Phasenübergang typische Verhalten zeigen.

Christian Speicher

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