CERN-Physiker bestätigen Quarkschlieren in der primordialen Suppe

Quarks verhalten sich wie Enten im Wasser

Jahrzehntelang debattierten Theoretiker, ob die heiße, dichte Materie des frühen Universums schnell bewegte Partikel bremsen oder sie ungehindert durchlassen würde. Ein von MIT-Physikern geführtes Team hat die Frage nun durch direkte Beobachtung geklärt. Am Large Hadron Collider des CERN beobachteten Forscher, wie Quarks durch das Quark-Gluon-Plasma rasen und dabei eindeutige Schlieren hinterlassen, ähnlich wie eine Ente, die über einen Teich schwimmt. Diese direkte Beobachtung beendet einen langjährigen theoretischen Streit über die grundlegende Natur des frühesten Materiezustands. Die Belege sind nun konkret und nicht länger aus indirekten Modellen des Teilchenverhaltens abgeleitet.

Das Plasma ist unglaublich dicht.

Es reagiert kollektiv als einheitliche Flüssigkeit und erzeugt Wellen und Spritzer, anstatt sich wie eine Ansammlung unabhängiger Teilchen zu verhalten. Dies ist der erste direkte Beleg für ein solches Verhalten in diesem spezifischen primordialen Zustand. Die kollektive Reaktion deutet auf eine Viskosität hin, die zuvor nur in komplexen Simulationen von Kollisionen bei hohen Energien vermutet wurde.

„Jetzt sehen wir, dass das Plasma unglaublich dicht ist und in der Lage ist, ein Quark abzubremsen. Es erzeugt dabei Spritzer und Wirbel wie eine Flüssigkeit“, sagte Yen-Jie Lee, Physikprofessor am MIT.

Quark-Gluon-Plasma existiert in der Natur nur für wenige Millionstel Sekunden und bildete sich in den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall. Um es zu untersuchen, lassen Wissenschaftler schwere Ionen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kollidieren. Diese Kollisionen trennen Quarks und Gluonen kurzzeitig und erschaffen so winzige Mengen der Bedingungen des neugeborenen Universums. Die neuen Daten liefern eine Momentaufnahme dieses flüchtigen Zustands.

Methodik und Detektion

Lee und seine Kollegen entwickelten eine neue Methode zur Detektion dieser Quarkschlieren. Durch die Messung der Größe, Geschwindigkeit und Dauer der Störungen können Wissenschaftler nun Schlüssel-Eigenschaften des Plasmas bestimmen. Dazu gehören, wie schnell sich die Schlieren ausbreiten und wie weit sie sich erstrecken, bevor sie verblassen.

Die Studie wurde von der CMS Collaboration durchgeführt, einer weltweiten Gruppe von Teilchenphysikern, die den Compact Muon Solenoid Detektor nutzen. Der Detektor ist eines der Allzweckinstrumente am Large Hadron Collider in der Schweiz. Das Team plant, diese Technik auf zusätzliche Kollisionsdaten anzuwenden, um weitere Beispiele zu finden und sie genauer zu untersuchen.

Das Verständnis dieser Eigenschaften hilft Forschern abzuleiten, wie sich das Plasma während der ersten Mikrosekunden des Universums verhalten hat. Als die Temperaturen fielen, verschmolzen Quarks und Gluonen zu Protonen und Neutronen und bildeten damit die Bausteine aller sichtbaren Materie. Die neuen Erkenntnisse überbrücken die Lücke zwischen der Hochenergie-Teilchenphysik und der Kosmologie.

Kontext im Fachgebiet

Dieses Ergebnis kommt zusammen mit anderen wichtigen Entwicklungen in der Teilchenphysik. Am 6. Oktober erhielt Francis Halzen den 2026 Nobelpreis für Physik für seine Arbeit an hochenergetischen Neutrinos. Halzens Forschung, durchgeführt mit dem IceCube-Detektor im antarktischen Eis, konzentriert sich auf die Detektion „Geisterteilchen“, die aus dem Weltraum ankommen.

Während Halzens Arbeit nach außen ins All blickt, blickt das CERN-Team nach innen zu den energiereichsten Momenten der Geschichte. Beide Bereiche verlassen sich auf fortschrittliche Detektoren, um schwer fassbare Phänomene zu beobachten. Der Nobelpreis-Komitee würdigte Halzen dafür, einen riesigen Eisblock in ein wissenschaftliches Instrument verwandelt zu haben, eine Leistung, die in ihrem Ehrgeiz mit der Präzisionsingenieurskunst am LHC vergleichbar ist.

Andere kürzliche Erkenntnisse im Fachgebiet umfassen Arbeiten an Quantensensoren für Teilchenphysik-Experimente und Studien zum Verhalten von Photonen. Diese Bemühungen erweitern gemeinsam das Werkzeugset, das Physikern zur Verfügung steht. Die Bestätigung des flüssigkeitsähnlichen Verhaltens im Quark-Gluon-Plasma ist ein großer Schritt im Verständnis der grundlegenden Kräfte, die das frühe Universum formten.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die „primordiale Suppe“ kein chaotisches Durcheinander war, sondern eine strukturierte Flüssigkeit mit messbarer Viskosität und Reaktionszeiten. Dies hat Auswirkungen auf Modelle der Entwicklung des frühen Universums. Während das Team weiter Daten analysiert, wird das Bild dieser ersten Mikrosekunden zunehmend klarer.