Cern-Physiker erzeugen Mini-Urknall mit Sauerstoff-16 und Neon-20
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Spuren einer Hochenergie-Kollision am Forschungszentrum Cern.
Für den Bruchteil einer Sekunde herrschten am Kernforschungszentrum Cern Bedingungen wie kurz nach dem Urknall. Materie war dabei so extrem erhitzt und verdichtet, dass Protonen und Neutronen sich in ihre elementaren Bestandteile auflösten.
Einem internationalen Team der Alice-Kollaboration am Large Hadron Collider (LHC) gelang dieser Zustand nun mit deutlich kleineren Atomkernen als bisher. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.
Quark-Gluon-Plasma aus leichten Atomkernen
Unmittelbar nach der Entstehung des Universums existierten Quarks und Gluonen frei in einer dichten Ursuppe, dem sogenannten Quark-Gluon-Plasma. Erst durch die anschließende Abkühlung formierten sich daraus die Bausteine gewöhnlicher Materie.
Grenzen der Kernphysik verschoben
Bisher nutzte die Forschung für solche Experimente vor allem schwere Blei-Ionen. Bei den aktuellen Messungen brachten die Physiker stattdessen Sauerstoff-16 und Neon-20 zur Kollision.
„Wir haben die Grenze dafür verschoben, wie klein Atomkerne sein können, mit denen sich diese ursprüngliche Materie noch erzeugen lässt“, erklärt Versuchsleiter You Zhou vom Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen.
Die Schattenform von Neon-20
Das entstandene Plasma zerfällt nach minimaler Dauer in unzählige Teilchen. Aus deren Flugbahnen und Bewegungsmustern rekonstruieren die Wissenschaftler die ursprüngliche Geometrie der Kerne vor dem Aufprall.
Bei Sauerstoff-16 zeigten die Daten ein weitgehend rundes Muster. Die Neon-20-Kollisionen hinterließen dagegen eine asymmetrische, längliche Spur, die an einen Bowlingkegel erinnert.
Bei Kollisionen mit Neon entstand ein längliches Teilchenmuster – ein Hinweis auf die ungewöhnliche Form des Atomkerns.
„Man kann das Objekt nicht direkt sehen, aber sein Schatten verrät seine Form“, erläutert Co-Autor Emil Gorm Dahlbæk Nielsen die Methodik. Die räumliche Anordnung der Nukleonen wird direkt durch die starke Wechselwirkung bestimmt, eine der vier Grundkräfte der Natur.
Nächster Härtetest mit Helium-4
Klassische Methoden analysieren Kernstrukturen über Schwingungen bei geringen Energieniveaus. Am Cern verfolgt man den entgegengesetzten Ansatz.
„Anstatt Kerne sorgfältig bei niedrigen Energien zu untersuchen, zertrümmern wir sie bei den höchsten Energien, die wir erzeugen können“, sagt Zhou. Als nächster Schritt sind Experimente mit noch leichteren Helium-4-Kernen geplant, um die absolute Untergrenze für das Auftreten kollektiver Plasma-Effekte zu bestimmen.