Am Large Hadron Collider des CERN in Genf haben Physiker etwas erreicht, das einst für unmöglich gehalten wurde: die Neubildung des Urzustands der Materie, der das Universum nur Mikrosekunden nach dem Big Bang füllte – mit Atomkernen, die weit kleiner sind als jeder für möglich gehalten hatte.
Ein internationales Team unter Leitung von Forschern des Niels Bohr-Instituts der Universität Kopenhagen ließ Sauerstoff-16- und Neon-20-Kerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen. Diese Kerne mit jeweils nur 16 bzw. 20 Nukleonen machen einen Bruchteil der schweren Bleikerne aus, die Wissenschaftler traditionell für solche Experimente verwenden. Trotz ihrer geringen Größe erzeugten die Kollisionen eindeutige Signaturen von Quark-Gluon-Plasma: einem ultraheißen, ultradichten Materiezustand, in dem Quarks und Gluonen – die fundamentalen Bausteine von Protonen und Neutronen – frei beweglich sind, statt aneinander gebunden zu sein.
„Wir haben die Grenze dafür verschoben, wie klein die Atomkerne sein können und dabei trotzdem diesen Urstoff neu erschaffen — ein kleines Big Bang, könnte man sagen", sagte die leitende Professorin You Zhou.
Die in Physical Review Letters veröffentlichten Forschungsergebnisse enthüllten etwas Unerwartetes. Die Teilchenflussmuster, die aus den Kollisionen hervorgehen, bewahren Informationen über die geometrische Form der sie erzeugenden Kerne. Kollisionen zwischen zwei kugelförmigen Sauerstoffkernen erzeugen ein relativ rundes Muster, während Neon-Kollisionen – deren Kerne eine Art Bowlingkugelform aufweisen – ein charakteristisches asymmetrisches Flussmuster erzeugen.
„Die Teilchen des Urstoffs werden direkt durch die geometrische Form des Atomkerns bestimmt", erklärte Ko-Autor Emil Gorm Dahlbæk Nielsen. „Es ist ein wenig wie das Werfen von Licht auf einen Gegenstand und das Sehen seines Schattens. Man kann den Gegenstand nicht direkt sehen, aber sein Schattens enthüllt seine Form."
Diese Technik könnte einen Paradigmenwechsel in der Kernphysik darstellen. Seit über 70 Jahren haben Physiker die Struktur von Atomkernen mit Niedrigenergie-Experimenten untersucht – indem sie gemessen haben, wie Kerne rotieren und schwingen. Der neue Ansatz kehrt diese Strategie völlig um: Anstatt Kerne sanft zu untersuchen, zerschmettern die Forscher sie bei höchster verfügbarer Energie und rekonstruieren ihre Formen aus den Debris-Mustern.
Das Team will weitergehen und Kollisionen mit noch leichteren Kernen durchführen – darunter Helium-4 – um festzustellen, wie klein ein Kollisionssystem sein kann und dabei trotzdem Quark-Gluon-Plasma erzeugt. Die Antwort auf diese Frage könnte sowohl die starke Kernkraft als auch die Bedingungen erhellen, die during der ersten Millionstelsekunde des Universums herrschten.
