CERN-Wissenschaftler bestätigen flüssiges Verhalten des Quark-Gluon-Plasmas nach Bleikollisionen

Wissenschaftler am Europäischen Kernforschungszentrum CERN haben eine fundamentale Eigenschaft des Quark-Gluon-Plasmas (QGP), der Materieform, die unmittelbar nach dem Urknall existierte, endgültig bestätigt. Die zentrale Erkenntnis belegt, dass dieses Urmaterial, das nur für millionstel Sekunden bestand, sich als bemerkenswert kohärente Flüssigkeit verhält und nicht als ein lockeres Gas von Teilchen. Diese Beobachtung löst eine langjährige Kontroverse in der theoretischen Physik über die dynamische Reaktion des QGP auf durchlaufende Teilchen.

Die Experimente fanden am Large Hadron Collider (LHC) statt, einer 27 Kilometer langen Beschleunigeranlage in der Nähe von Genf, Schweiz, wo schwere Bleiionen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kollidiert wurden, um die extremen Zustände des frühen Universums nachzubilden. Die Forschung wurde maßgeblich von Professor Yen-Jie Lee vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) geleitet, wobei das MIT als eine der Schlüsselinstitutionen neben dem CERN beteiligt war. Die Forscher nutzten eine neu entwickelte Analysemethode, um gezielt die Wechselwirkung eines einzelnen Quarks mit dem Plasma zu isolieren, wobei sie etwa 2.000 relevante Ereignisse aus insgesamt 13 Milliarden Kollisionen auswerteten.

Die Beobachtung von messbaren Nachläufen lieferte den empirischen Beweis dafür, dass das QGP dicht genug ist, um ein energiereiches Quark abzubremsen und dabei Spritzer und Wirbel zu erzeugen, was das Verhalten einer Flüssigkeit kennzeichnet. Diese kohärente Reaktion bestätigt, dass das QGP die erste und heißeste Flüssigkeit ist, die jemals existierte, mit Temperaturen von einigen Billionen Grad Celsius und einer nahezu perfekten Flüssigkeitseigenschaft mit geringer innerer Reibung. Die Methodik stützte sich auf den CMS-Detektor am LHC, um die Bewegung eines Quarks relativ zu einem neutralen Z-Boson zu verfolgen, was eine robuste Grundlage für die Isolierung dieses spezifischen physikalischen Effekts darstellt.

Das QGP dominierte das Universum weniger als zehn Mikrosekunden nach dem Urknall, bevor es abkühlte und Quarks und Gluonen zu Protonen und Neutronen kondensierten. Die Fähigkeit, diese dynamischen Wellen zu messen, bietet eine neuartige Metrik zum Verständnis der Fluiddynamik extremer, energiereicher Materie und schlägt eine Brücke zwischen der fundamentalen Teilchenphysik und der Kosmologie. Die Ergebnisse validieren theoretische Modelle, welche eine solche Flüssigkeitsspur erwarten, darunter hybride Modelle, die unter anderem von MIT-Physiker Krishna Rajagopal und Kollegen entwickelt wurden.

Professor Lee, der auch als Ko-Konvener der Schwerionenphysik-Gruppe in der CMS-Kollaboration tätig war, plant, die neue Analysemethode auf größere Datensätze anzuwenden, um Eigenschaften wie die Ausdehnung und die Abklingzeit dieser Nachläufe zu bestimmen. Diese detaillierten Messungen sind entscheidend, um zu verstehen, wie das QGP Energie und Impuls transportiert und wie sein flüssiges Verhalten die Entwicklung des Universums in seinen ersten Momenten geformt hat. Die Forschung wird voraussichtlich auf der bevorstehenden Konferenz SQM2026, der Internationalen Konferenz über Strangeness in Quark Matter, die vom 22. bis 27. März 2026 an der UCLA stattfinden wird, weiter vertieft.

Die experimentelle Arbeit am LHC, insbesondere mit Bleikollisionen, ermöglicht eine detailliertere Charakterisierung des QGP, als es frühere Experimente am RHIC zuließen, da die höheren Energien seltenere Sonden wie Jets in größerer Zahl erzeugen. Die Bestätigung des flüssigen Zustands des QGP stellt somit einen bedeutenden empirischen Meilenstein in der Erforschung der frühesten Materiezustände dar.