DURCHBRUCH: Wissenschaftler lüften die Geheimnisse des Urknalls und der frühesten Momente des Universums

An der Eötvös Loránd Universität in Ungarn machen Physiker bedeutende Fortschritte bei der Erforschung der frühesten Momente des Universums. Sie nutzen dabei hochmoderne Teilchenbeschleuniger, um die Umwandlung der ursprünglichen Quarkmaterie in die heute bekannte Materie zu untersuchen. Ihre Pionierarbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Grundlagenphysik und der starken Wechselwirkung

Das Forscherteam konzentriert sich darauf, die Zusammensetzung der allerersten Materie, die das Universum in seinen ersten Mikrosekunden nach der Entstehung füllte, zu entschlüsseln. Durch den Einsatz der weltweit führenden drei Teilchenbeschleuniger analysieren die Wissenschaftler der Eötvös Loránd Universität die Bausteine des Atomkerns. Ihre Ergebnisse zeigen überraschende Parallelen zwischen den Bewegungen der beobachteten Teilchen und dem Jagdverhalten mariner Raubtiere, den Mustern des Klimawandels und den Schwankungen an der Börse.

Unmittelbar nach dem Urknall waren die Temperaturen so extrem, dass Atomkerne und ihre Bausteine, die Nukleonen, nicht existieren konnten. Stattdessen war das Universum mit einer "ursprünglichen Suppe" aus Quarks und Gluonen gefüllt.

Mit der Abkühlung des Universums begann die Umwandlung dieser Materie, was zur Bildung von heute bekannten Teilchen wie Protonen und Neutronen führte. Dieses Phänomen wird in Teilchenbeschleuniger-Experimenten im kleinen Maßstab nachgestellt, wo Kollisionen zwischen zwei Kernen winzige Tropfen von Quarkmaterie erzeugen. Diese gehen dann durch einen "Freeze-out"-Prozess in gewöhnliche Materie über, ein Vorgang, der den Forschern aus diesen Experimenten bekannt ist.

Die Eigenschaften der Quarkmaterie variieren jedoch aufgrund von Druck- und Temperaturunterschieden, die durch die Kollisionsenergie in Teilchenbeschleunigern entstehen. Diese Variation erfordert Messungen in Teilchenbeschleunigern verschiedener Energien wie dem Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in den USA oder dem Super Proton Synchrotron (SPS) und dem Large Hadron Collider (LHC) in der Schweiz.

„Diese Aspekte sind so entscheidend, dass weltweit neue Beschleuniger, beispielsweise in Deutschland oder Japan, speziell für solche Experimente gebaut werden“, erklärt Máté Csanád, Physikprofessor am Department of Atomic Physics der Eötvös Loránd Universität. „Eine der größten Fragen ist, wie der Übergang zwischen den Phasen stattfindet: Auf der Phasenkarte könnte ein kritischer Punkt auftauchen.“

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

Langfristig zielt die Forschung darauf ab, unser Verständnis der starken Wechselwirkung, die die Interaktionen in der Quarkmaterie und in Atomkernen steuert, zu vertiefen. Unser aktuelles Wissen in diesem Bereich ähnelt dem Verständnis der Menschheit von Elektrizität in den Zeiten Voltas, Maxwells oder Faradays. Obwohl sie eine Vorstellung von den grundlegenden Gleichungen hatten, bedurfte es umfangreicher experimenteller und theoretischer Arbeit, um Technologien zu entwickeln, die das tägliche Leben von der Glühbirne bis hin zu Fernsehern, Telefonen, Computern und dem Internet tiefgreifend verändert haben. Ähnlich embryonal ist unser Verständnis der starken Wechselwirkung, weshalb die Forschung in diesem Bereich von entscheidender Bedeutung ist.

Innovationen in der Femtoskopie

Die Forscher der ELTE waren an Experimenten an jedem der oben genannten Beschleuniger beteiligt, und ihre Arbeit in den letzten Jahren hat zu einem umfassenden Bild der Geometrie der Quarkmaterie geführt. Sie erreichten dies durch die Anwendung von Femtoskopie-Techniken. Diese Technik nutzt die Korrelationen, die sich aus der nicht-klassischen, quantenähnlichen Wellennatur der erzeugten Teilchen ergeben, und enthüllt so die Femtometer-Skala-Struktur des Mediums, der partikelemitierenden Quelle.

Forscher der Eötvös Universität arbeiten an der Datenaufnahme des STAR-Experiments im Brookhaven National Laboratory. Eötvös Loránd Universität

„In den vergangenen Jahrzehnten ging man bei der Femtoskopie davon aus, dass Quarkmaterie einer Normalverteilung folgt, also der gaußschen Form, die in der Natur so oft vorkommt“, erklärt Márton Nagy, einer der führenden Forscher der Gruppe.

Die ungarischen Forscher wandten sich jedoch dem Lévy-Prozess zu, der auch in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen bekannt ist und eine gute Beschreibung für die Suche nach Beute bei marinen Raubtieren, Börsenprozesse und sogar den Klimawandel darstellt. Ein charakteristisches Merkmal dieser Prozesse ist, dass sie in bestimmten Momenten sehr große Veränderungen durchlaufen (zum Beispiel, wenn ein Hai in einem neuen Gebiet nach Nahrung sucht), und in solchen Fällen kann eher eine Lévy-Verteilung als eine normale (Gaußsche) Verteilung auftreten.

Bedeutung und Rolle der ELTE Diese Forschung ist aus mehreren Gründen von großer Bedeutung. Primär ist eines der am meisten untersuchten Merkmale des Freeze-out von Quarkmaterie, ihre Umwandlung in konventionelle (hadronische) Materie, der femtoskopische Radius (auch HBT-Radius genannt, in Bezug auf den bekannten Hanbury Brown und Twiss-Effekt in der Astronomie), der aus femtoskopischen Messungen abgeleitet wird. Diese Skala hängt jedoch von der angenommenen Geometrie des Mediums ab. Wie Dániel Kincses, ein Postdoktorand der Gruppe, zusammenfasst: „Wenn die Gaußsche Annahme nicht optimal ist, dann können die genauesten Ergebnisse aus diesen Studien nur unter der Lévy-Annahme erzielt werden. Der Wert des ‚Lévy-Exponenten‘, der die Lévy-Verteilung charakterisiert, könnte auch Aufschluss über die Art des Phasenübergangs geben. Daher liefert seine Variation mit der Kollisionsenergie wertvolle Einblicke in die verschiedenen Phasen der Quarkmaterie.“

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

Die Gruppen leisten wesentliche Beiträge zum Erfolg der Experimente in verschiedenen Bereichen, von der Detektorentwicklung über die Datenerfassung und -analyse. Sie sind auch an vielen Projekten und theoretischen Forschungsarbeiten beteiligt. „Das Besondere an unserer Femtoskopie-Forschung ist, dass sie in vier Experimenten an drei Teilchenbeschleunigern durchgeführt wird – das gibt uns einen breiten Überblick über die Geometrie und möglichen Phasen der Quarkmaterie“, erklärt Máté Csanád.

Referenz: „Eine neue Methode zur Berechnung von Bose-Einstein-Korrelationsfunktionen mit Coulomb-Endzustandswechselwirkung“ von Márton Nagy, Aletta Purzsa, Máté Csanád und Dániel Kincses, 8. November 2023, The European Physical Journal C.

DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y