Mit dem Relativistic Heavy Ion Collider des Brookhaven National Laboratory erstellten Physiker drei verschiedene Formen von Quark-Gluon-Plasma-Blobs. Dieses Plasma ist eine exotische Art von Materie, die das Universum in den ersten Millisekunden nach dem Urknall füllte.
(Bild: © Javier Orjuela Koop)
Für den ersten Sekundenbruchteil nach dem Urknall war das Universum nichts anderes als eine extrem heiße "Suppe" aus Quarks und Gluonen - subatomare Teilchen, die die Bausteine von Protonen und Neutronen werden würden. Jetzt, 13,8 Milliarden Jahre später, haben Wissenschaftler diese Ursuppe in einem Labor nachgebildet.
Mit dem Relativistic Heavy Ion Collider am Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, erzeugten Physiker winzige Tropfen dieses Quark-Gluon-Plasmas, indem sie verschiedene Kombinationen von Protonen und Neutronen zusammenschlugen. Während dieser Abstürze lösten sich die Quarks und Gluonen, aus denen die Protonen und Neutronen bestanden, und verhielten sich wie eine Flüssigkeit, stellten die Forscher fest.
Je nachdem, welche Partikelkombination die Forscher zusammengeschlagen hatten, bildeten die winzigen, flüssigkeitsähnlichen Plasmakugeln eine von drei unterschiedlichen geometrischen Formen: Kreise, Ellipsen oder Dreiecke. [Bilder: Rückblick auf den Urknall und das frühe Universum]
"Unser experimentelles Ergebnis hat uns der Beantwortung der Frage nach der geringsten Menge an Materie im frühen Universum, die existieren kann, viel näher gebracht", sagte Jamie Nagle, Physiker an der Universität von Colorado Boulder, der an der Studie teilgenommen hat, in einer Erklärung.
Quark-Gluon-Plasmen wurden erstmals im Jahr 2000 in Brookhaven erzeugt, als Forscher die Kerne der Goldatome zusammenschlugen. Dann widersetzten sich die Wissenschaftler des Large Hadron Collider in Genf den Erwartungen, als sie das Plasma durch Zerschlagen von zwei Protonen erzeugten. "Das war überraschend, da die meisten Wissenschaftler davon ausgegangen sind, dass einzelne Protonen nicht genug Energie liefern können, um etwas zu erzeugen, das wie eine Flüssigkeit fließen kann", sagten UC Boulder-Beamte in der Erklärung.
Nagle und seine Kollegen beschlossen, die flüssigen Eigenschaften dieses exotischen Materiezustands zu testen, indem sie winzige Klumpen davon erzeugten. Wenn sich das Plasma wirklich wie eine Flüssigkeit verhält, sollten die kleinen Klumpen in der Lage sein, ihre Form zu halten, sagten die Forscher voraus.
"Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Tröpfchen, die sich zu einem Vakuum ausdehnen", sagte Nagle. "Wenn die beiden Tröpfchen wirklich nahe beieinander liegen, laufen sie beim Ausdehnen ineinander und drücken gegeneinander, und genau das schafft dieses Muster."
"Mit anderen Worten, wenn Sie zwei Steine dicht nebeneinander in einen Teich werfen, fließen die Wellen dieser Stöße ineinander und bilden ein Muster, das einer Ellipse ähnelt", so die Beamten von UC Boulder. "Dasselbe könnte zutreffen, wenn Sie ein Proton-Neutronen-Paar, das als Deuteron bezeichnet wird, in etwas Größeres zerschlagen ... Ebenso könnte sich ein Proton-Proton-Neutron-Trio, auch als Helium-3-Atom bekannt, zu etwas Ähnlichem ausdehnen zu einem Dreieck. "
Indem die Forscher diese verschiedenen Kombinationen von Protonen und Neutronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in Goldatome rammten, konnten sie genau das tun, was sie sich erhofft hatten: elliptische und dreieckige Blobs aus Quark-Gluon-Plasma zu erzeugen. Als die Wissenschaftler ein einzelnes Proton in das Goldatom schlugen, war das Ergebnis ein kreisförmiger Klumpen der Ursuppe.
Diese kurzlebigen Tröpfchen aus Quark-Gluon-Plasma erreichten Temperaturen von Billionen Grad Celsius. Forscher glauben, dass das Studium dieser Art von Materie "Theoretikern helfen könnte, besser zu verstehen, wie sich das ursprüngliche Quark-Gluon-Plasma des Universums über Millisekunden abkühlte und die ersten existierenden Atome hervorbrachte", sagten UC Boulder-Beamte.
Die Ergebnisse dieser Studie wurden am 10. Dezember in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
