Physiker simulieren den Urknall und entdecken eine unerwartete Partikelsignatur. )

Wissenschaftler haben die heße Partikelmischung, die den Kosmos nach dem Urknall füllte, rekonstruiert und waren von ihrem Verhalten überrascht. Am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) im Brookhaven National Laboratory in New York schleuderten die Forscher Goldkerne nahe der Lichtgeschwindigkeit zusammen. Die aus diesen Kollisionen hervorgegangenen Teilchen zeigten einen überraschenden Rückgang ihrer Eigenschaften.

Goldkerne kollidieren mit nahezu Lichtgeschwindigkeit

Die Forscher ließen Goldkerne mit großer Geschwindigkeit aufeinander zurasen. Nach dem Aufprall flogen Teilchen seitwärts davon, und die Wissenschaftler erfassten, wie kräftig sie sich entfernten. Eine stetige Progression dieser Schwankungen bei steigender Kollisionsenergie wurde erwartet. Diese Erwartung wurde nicht erfüllt: die Schwankungen schrumpften, bevor sie erneut anschwollen.

Diese Delle könnte ein Zeichen für einen lange gesuchten „kritischen Punkt“ sein, eine besondere Zustandsmenge, bei der nukleare Materie die Art und Weise verändert, wie sie sich von einer Form in eine andere verwandelt. Das Signal ist stark genug, sodass es sehr unwahrscheinlich ist, dass es sich um einen statistischen Zufall handelt, aber die Forscher wiesen darauf hin, dass die Delle ein Hinweis, aber kein Beweis ist.

Was die Delle bedeuten könnte

Eine kritische Temperatur markiert die Linie, an der Flüssigkeit und Dampf ihre getrennten Identitäten für Wasser verlieren. Diese Art von Transformation, so Manikandhan, ein Postdoktorand der Physik an der Ohio State University und Mitautor der Studie, gegenüber Live Science, wird seit langem vermutet, dass sie auch für nukleare Materie existiert. Der „kritische Punkt“, der für den kritischen Punkt steht, dient als Wegweiser im Regelwerk, das Materie an ihre Grenzen getrieben regelt.

Wenn die Temperaturen ihre höchsten Werte erreichen, fließt gewöhnliche Materie stetig in einen Zustand von Quark-Gluon-Plasma über. Wenn jedoch die Dichte ansteigt, kann die Transformation plötzlich erfolgen. Dieser Punkt, an dem das allmähliche Schmelzen einem plötzlichen Wandel weicht, wird als kritischer Punkt bezeichnet. Bestimmte aktuelle Berechnungen verorten diesen Punkt innerhalb des Bereichs der unteren Energiekollisionen von RHIC.

„Aber all dies ist noch spekulativ und es gibt noch nichts Konkretes, weder von den Experimentatoren noch von den Theoretikern“, sagte Manikandhan.

Warum das Feuerball-Phänomen wichtig ist

Wissenschaftler untersuchen, wie sich die Materie verhält, die bei diesen Kollisionen entsteht, da sie der Substanz gleicht, die das Universum unmittelbar nach dem Urknall nur wenige Mikrosekunden lang ausfüllte. Die Verfolgung ihres Verhaltens gibt den Forschern Einblicke, wie sich das Universum von einer heißen Mischung aus Quarks und Gluonen zu den Protonen und Neutronen entwickelte, aus denen alles um uns herum heute besteht.

Die Forscher betrieben RHIC bei einer Reihe von Kollisionsenergien. Je geringer die Energie, desto enger wurde die kollidierende Materie zusammengedrückt. Für seine energieärmsten Läufe verwendete STAR eine „feste Ziel“-Konfiguration, bei der ein Goldkernstrahl „auf eine dünne Goldfolie trifft, die sich im Detektor befindet“, so Manikandhan, anstatt auf einen zweiten, entgegenkommenden Strahl. Dies erzeugt die dichteste Materie, die RHIC erzeugen kann.

Elektronenvolt messen Kollisionsenergien und stellen dar, wie viel Energie ein Elektron aufnimmt, nachdem es durch 1 Volt geschoben wurde. Das Feld verwendet typischerweise Milliarden Elektronenvolt oder Gigaelektronenvolt (GeV) für seine Berechnungen. Ein einzelnes GeV entspricht ungefähr der Energie, die in der Masse eines Protons enthalten ist, wie Einsteins berühmte Gleichung E = mc2. Das Team analysierte etwa eine Milliarde Kollisionen bei Energien zwischen 3 und 7,7 GeV pro Paar kollidierender Protonen oder Neutronen. Das ist das untere Ende des Spektrums von RHIC, das sich bis auf 200 GeV erstreckt.

Die Messung des Dips

Bei jedem Aufprall verfolgten die Forscher, wie weit geladene Teilchen von der „Feuerkugel“ abgelenkt wurden – ein Maß, das als Transversalimpuls bekannt ist. Als Nächstes suchten sie nach Verbindungen zwischen diesen Teilchen. Eine Verbindung zeigt, ob zwei Dinge dazu neigen, gemeinsam zu verschieben.

Die Forscher untersuchten Teilchenpaare aus derselben Kollision, um zu sehen, ob sie beide stärker als durchschnittlich abgelenkt wurden oder ob sie beide sanfter abgelenkt wurden. Dies gibt etwas über die „Feuerkugel“ als Ganzes Aufschluss. Eine „Feuerkugel“, die etwas heißer ist oder sich mit größerer Kraft ausdehnt, verleiht all ihren Teilchen gleichzeitig einen zusätzlichen Schub seitwärts.

„Diese Korrelationen spiegeln wider, wie stark die Temperatur und der Fluss der „Feuerkugel“ schwanken“, sagte Manikandhan.

Nahe einem kritischen Punkt wird erwartet, dass die Wärmekapazität des Stoffes – die Energiemenge, die benötigt wird, um seine Temperatur zu erhöhen – stark ansteigen wird. Das macht es schwieriger, die Temperatur des Feuerballs zu beeinflussen, sodass sich die Korrelationen schwächen sollten. „Wenn der Stoff einen kritischen Punkt oder eine Phasenänderung erreicht, würden wir erwarten, dass sich diese Korrelationen auf ungewöhnliche, nicht-glatte Weise ändern, wenn wir die Kollisionsenergie variieren“, sagte Manikandhan.

Das Signal ist stark.

Das Team beobachtete den Tiefpunkt bei den frontalsten Kollisionen. „Anstatt sich glatt mit der Energie zu ändern, zeigen die Korrelationen einen Tiefpunkt“, sagte Manikandhan. Die Forscher verglichen die Daten mit einem glatten Trend, und die Abweichung stach heraus.

Am 22. September wurde die Forschung in Physical Review Letters veröffentlicht.

Was kommt als Nächstes?

Die Forscher warnen davor, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind, bevor eine Bestätigung ausgesprochen werden kann. Die Stärke des Signals deutet jedoch darauf hin, dass es äußerst unwahrscheinlich ist, eine bloße statistische Willkür zu sein.

Es gibt noch keinen Beweis für den kritischen Punkt. Weder Experimentatoren noch Theoretiker haben etwas Definitives hervorgebracht. Die neuen Daten stärken den Fall für seine Existenz, haben die Angelegenheit aber noch nicht abschließend geklärt.

Auch die Kosmologie profitiert von dieser Forschung. Die Verfolgung, wie sich das frühe Universum abkühlte und zu Protonen und Neutronen kondensierte, wirft ein neues Licht auf die Struktur des Kosmos heute. Der Rückgang in den Daten bietet eine frische Möglichkeit, diesen Prozess zu untersuchen.

Quellenmaterial: „Wissenschaftler rekonstruieren die ersten Momente des Universums und finden etwas, das sie nicht erwartet haben“, Live Science.