Wissenschaftler enthüllen Geheimnisse der frühesten Momente des Universums

Ihre Bemühungen konzentrierten sich auf die Kartierung der „Ursuppe“, die das Universum in der ersten Millionstelsekunde nach seiner Entstehung füllte.

Physiker der Eötvös-Loránd-Universität haben die Bestandteile des Atomkerns mithilfe der drei fortschrittlichsten Teilchenbeschleuniger weltweit untersucht. Ziel ihrer Forschung ist es, die „Ursuppe“ zu erforschen, die im Universum in den ersten Mikrosekunden nach seiner Entstehung existierte. Interessanterweise deuten ihre Ergebnisse darauf hin, dass die Bewegung der beobachteten Partikel Ähnlichkeiten mit der Beutesuche mariner Raubtiere, den Mustern des Klimawandels und den Schwankungen des Aktienmarktes aufweist.

Unmittelbar nach dem UrknallDie Temperaturen waren so extrem, dass weder Atomkerne noch Nukleonen, ihre Bausteine, existieren konnten. Daher war das Universum in diesem ersten Fall mit einer „Ursuppe“ aus Quarks und Gluonen gefüllt.

Als sich das Universum abkühlte, kam es zu einem „Ausfrieren“ dieses Mediums, was zur Bildung der heute bekannten Teilchen wie Protonen und Neutronen führte. Dieses Phänomen wird in viel kleinerem Maßstab in Teilchenbeschleunigerexperimenten nachgebildet, bei denen Kollisionen zwischen zwei Kernen winzige Tröpfchen aus Quarkmaterie erzeugen. Diese Tröpfchen gehen dann schließlich durch Ausfrieren in die gewöhnliche Materie über, eine Umwandlung, die den Forschern, die diese Experimente durchführen, bekannt ist.

Variationen in der Quark-Materie

Allerdings variieren die Eigenschaften der Quarkmaterie aufgrund von Druck- und Temperaturunterschieden, die aus der Kollisionsenergie in Teilchenbeschleunigern resultieren. Diese Variation erfordert Messungen zum „Scannen“ von Materie in Teilchenbeschleunigern unterschiedlicher Energie, dem Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in den USA oder dem Super Proton Synchrotron (SPS) und dem Large Hadron Collider (LHC) in der Schweiz.

„Dieser Aspekt ist so entscheidend, dass überall auf der Welt, zum Beispiel in Deutschland oder Japan, speziell für solche Experimente neue Beschleuniger gebaut werden.“ Die vielleicht wichtigste Frage ist, wie der Übergang zwischen den Phasen erfolgt: Auf der Phasenkarte kann ein kritischer Punkt entstehen“, erklärt Máté Csanád, Professor für Physik am Institut für Atomphysik der Eötvös-Loránd-Universität (ELTE).

Eine Montage rekonstruierter Spuren tatsächlicher Kollisionsereignisse und Fotos der jeweiligen Detektoren im Brookhaven National Laboratory und am CERN. Bildnachweis: Montage gemacht von Máté Csanád / Eötvös Loránd University Originalfotos für die Montage: STAR und PHENIX: Brookhaven National Laboratory und CMS und NA61: CERN

Das langfristige Ziel der Forschung ist es, unser Verständnis der starken Wechselwirkung zu vertiefen, die die Wechselwirkungen in Quark-Materie und in Atomkernen bestimmt. Unser derzeitiger Wissensstand auf diesem Gebiet kann mit dem Verständnis der Menschheit über Elektrizität zur Zeit von Volta, Maxwell oder Faraday verglichen werden. Obwohl sie eine Vorstellung von den grundlegenden Gleichungen hatten, war eine beträchtliche Menge experimenteller und theoretischer Arbeit erforderlich, um Technologien zu entwickeln, die den Alltag tiefgreifend verändert haben, von der Glühbirne über Fernseher, Telefone und Computer bis hin zum Internet. Ebenso steckt unser Verständnis der starken Wechselwirkung noch in den Kinderschuhen, weshalb die Erforschung und Kartierung dieser Wechselwirkung von entscheidender Bedeutung ist.

Innovationen in der Femtoskopie

Forscher von ELTE waren an Experimenten an jedem dieser oben genannten Beschleuniger beteiligt und ihre Arbeit in den letzten Jahren hat zu einem umfassenden Bild der Geometrie der Quarkmaterie geführt. Dies gelang ihnen durch den Einsatz von Femtoskopietechniken. Diese Technik nutzt die Korrelationen, die sich aus der nichtklassischen, quantenähnlichen Wellennatur der erzeugten Teilchen ergeben, was letztendlich die Femtometer-Struktur des Mediums, der Teilchen emittierenden Quelle, offenbart.

Forscher der Eötvös-Universität arbeiten an der Datenerfassung des STAR-Experiments im Brookhaven National Laboratory. Bildnachweis: Máté Csanád / Eötvös-Loránd-Universität

„In den vergangenen Jahrzehnten wurde die Femtoskopie unter der Annahme betrieben, dass Quarkmaterie einer Normalverteilung folgt, also der Gaußschen Form, die an so vielen Orten in der Natur zu finden ist“, erklärt Márton Nagy, einer der leitenden Forscher der Gruppe.

Allerdings griffen die ungarischen Forscher als allgemeineren Rahmen auf das Lévy-Verfahren zurück, das auch in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen bekannt ist und die Beutesuche durch Meeresräuber, Börsenprozesse und sogar den Klimawandel gut beschreibt. Ein besonderes Merkmal dieser Prozesse besteht darin, dass sie zu bestimmten Zeitpunkten sehr große Veränderungen erfahren (z. B. wenn ein Hai in einem neuen Gebiet nach Nahrung sucht) und in solchen Fällen eher eine Lévy-Verteilung als eine normale (Gauß-)Verteilung auftreten kann.

Implikationen und die Rolle von ELTE

Diese Forschung ist aus mehreren Gründen von großer Bedeutung. Eines der am besten untersuchten Merkmale des Ausfrierens von Quark-Materie, seiner Umwandlung in konventionelle (hadronische) Materie, ist vor allem der femtoskopische Radius (auch HBT-Radius genannt, da er mit dem bekannten Hanbury-Brown- und Twiss-Effekt in Zusammenhang steht). in der Astronomie), die aus femtoskopischen Messungen abgeleitet wird. Allerdings hängt dieser Maßstab von der angenommenen Geometrie des Mediums ab. Dániel Kincses, ein Postdoktorand in der Gruppe, fasst zusammen: „Wenn die Gaußsche Annahme nicht optimal ist, können die genauesten Ergebnisse dieser Studien nur unter der Lévy-Annahme erzielt werden.“ Der Wert des „Lévy-Exponenten“, der die Lévy-Verteilung charakterisiert, kann auch Aufschluss über die Art des Phasenübergangs geben. Daher liefert seine Variation mit der Kollisionsenergie wertvolle Einblicke in die verschiedenen Phasen der Quarkmaterie.“

Forscher von ELTE nehmen aktiv an vier Experimenten teil: NA61/SHINE am SPS-Beschleuniger, PHENIX und STAR am RHIC und CMS am LHC. Die NA61/SHINE-Gruppe von ELTE wird von Yoshikazu Nagai geleitet, die CMS-Gruppe von Gabriella Pásztor; und die RHIC-Gruppen von Máté Csanád, der auch die Femtoskopieforschung von ELTE koordiniert.

Die Gruppen leisten in unterschiedlicher Funktion, von der Detektorentwicklung bis hin zur Datenerfassung und -analyse, wesentliche Beiträge zum Erfolg von Experimenten. Sie sind auch an zahlreichen Projekten und theoretischen Forschungen beteiligt. „Das Einzigartige an unserer Femtoskopie-Forschung ist, dass sie in vier Experimenten in drei Teilchenbeschleunigern durchgeführt wird – was uns einen umfassenden Überblick über die Geometrie und mögliche Phasen der Quark-Materie gibt“, erklärt Máté Csanád.

Referenz: „Eine neuartige Methode zur Berechnung von Bose-Einstein-Korrelationsfunktionen mit Coulomb-Endzustandsinteraktion“ von Márton Nagy, Aletta Purzsa, Máté Csanád und Dániel Kincses, 8. November 2023, Das European Physical Journal C.
DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y