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StartseiteForschung aktuellAm Anfang war der Symmetriebruch16.02.2010

Am Anfang war der Symmetriebruch

Vier Billionen Grad heiße Urknall-Suppe untersucht

Kosmologie.- Direkt nach dem Urknall war das Universum sehr klein und extrem heiß – das sagen zumindest die Kosmologen. Mittlerweile ist es amerikanischen Physikern gelungen, eine solch dichte und heiße Urknallsuppe im Labor herzustellen und sie genau zu untersuchen.

Von Jan Lublinski

"Wir wissen inzwischen, dass das Universum am Anfang eine sehr komprimierte, heiße Flüssigkeit war."  (Nasa)
"Wir wissen inzwischen, dass das Universum am Anfang eine sehr komprimierte, heiße Flüssigkeit war." (Nasa)

Am Teilchenbeschleuniger RHIC in Brookhaven bei New York lassen Physiker schon seit vielen Jahren Goldatome im Kreis herum fliegen und dann aufeinander krachen. Diese Kollisionsexperimente haben sie im Laufe der Jahre immer weiter perfektioniert. Dabei entstehen extrem kleine, dichte und heiße Feuerbälle. Steven Vigdor vom Forschungszentrum in Brookhaven kann jetzt einen galaktischen Rekord vermelden: Einen Feuerball mit einer Temperatur von vier Billionen Grad Celsius.

"Das ist 250.000 mal heißer als die Sonne – es ist so heiß, dass die Bausteine der Atomkerne, die Protonen und die Neutronen, zerschmelzen.
Übrig bleibt eine Suppe aus elementaren Teilchen: den Quarks und Gluonen. Diese Suppe entspricht genau dem Zustand wie er eine Mikrosekunde nach dem Urknall geherrscht hat. Erst nachdem sich dass Universum auf etwa zwei Billionen Grad abgekühlt hatte, konnten die Neutronen und Protonen entstehen. Mit den vier Billionen Grad, die wir mit unserem Experiment hergestellt haben, liegen wir also auf jeden Fall oberhalb dieses Schmelzpunktes."

Über viele Jahrzehnte hinweg waren die Kernphysiker auf der Suche nach diesem geheimnisvollen Materiezustand. Er sollte Aufschluss geben über die Zustände im Universum einen Wimpernschlag nach dem Urknall: Quark-Gluon-Plasma haben die Physiker diesen Zustand lange genannt, weil sie glaubten, dass der Feuerball am Anfang des Universums aus einem brennenden Gas aus Quarks und Gluonen bestand.

Im Jahr 2005 waren die Physiker am Teilchenbeschleuniger RHIC dann soweit. Sie konnten diesen heißen Urzustand herstellen: Die beschleunigten Goldatome rasten ineinander, bildeten für extrem kurze Zeit einen winzigen heißen Punkt und flogen dann in unzähligen Bruchstücken auseinander und kühlten sich ab. Die Analyse dieses Prozesses hatte zur Folge, dass Lehrbücher umgeschrieben werden mussten: Am Anfang war kein Gas mit umhersausenden Teilchen, sondern vielmehr eine heiße Teilchen-Flüssigkeit. Der Ausdruck "Quark-Gluon-Suppe" erschien den Physikern wesentlich treffender. Barbara Jacak von der Universität in Stony Brook.

"Wir wissen inzwischen, dass das Universum am Anfang eine sehr komprimierte, heiße Flüssigkeit war, aber es ist noch unklar, welche Rolle diese fließende Eigenschaft am Anfang gespielt hat. Es ist ein großer Erfolg, dass wir nun die Temperatur und den Schmelzpunkt dieser Suppe bestimmen konnten. Aber es gibt noch vieles, was wir nicht verstehen."

Immerhin: Den Physikern ist es jetzt gelungen, die Temperatur ihrer Ursuppe zu bestimmen. Außerdem glauben sie, darin rätselhafte Bläschen ausgemacht zu haben. Bläschen, in denen bestimme Naturgesetze nicht mehr, beziehungsweise anders gelten: Bei den Kräften, die zwischen Quarks und Gluonen wirken, ist in der heißen Suppe die sogenannte Spiegelsymmetrie gebrochen.

Dazu muss man wissen, dass Physiker die Kräfte, die in der Natur wirken, mit Symmetrienüberlegungen beschreiben: Sie überlegen sich, ob ihre Experimente anders ablaufen würden, wenn die Zeit rückwärts liefe, was einen Bruch der Zeitsymmetrie bedeuten würde. Oder sie prüfen nach, welche Auswirkungen es hat, wenn ein Teilchen negativ statt positiv geladen ist, oder ob sich ein Experiment änderte, wenn man es durch einen Spiegel betrachtete.

Bei den Kräften, die zwischen Quarks und Gluonen wirken, waren solche Symmetriebrüche bisher unbekannt. Jetzt aber verdichten sich die Hinweise darauf, dass bei den extrem hohen Temperaturen der Quark-Gluon-Suppe neue Regeln gelten. Der theoretische Physiker Dimitri Kharzeev hatte genau das geahnt. Bereits in den 90er-Jahren hat er diese seltsamen Bläschen vorhergesagt. Auch er arbeitet am Forschungszentrum in Brookhaven und ist derzeit ein vielgefragter Experte in Sachen blubbernde Quarksuppe:

"Mich beschäftigt diese Sache schon seit 15 Jahren. Diese Idee der Bläschen, in denen die Symmetrie gebrochen ist, hat mich einfach nicht mehr losgelassen. Es ist wirklich sehr aufregend. Das grundlegende Konzept der Bläschen hatten wir schon lange, aber wir wussten nicht recht, wie wir nach ihnen suchen sollten. Vor fünf Jahren ist dann klar geworden, dass wir auch die großen Magnetfelder betrachten müssen, die durch die geladenen, kollidierenden Teilchen erzeugt werden. Und so wurde es schließlich möglich, diesen Effekt nicht nur zu berechnen, sondern auch im Experiment nachzuweisen."

Symmetriebrechungen in den Naturgesetzen haben Physiker bereits in früheren Teilchenphysik-Experimenten beobachtet. Doch die Experimente mit der Ursuppe sind die ersten, die diese Regeländerungen auch bei den Grundbausteinen der Atomkerne nachweisen – den Quarks und den Gluonen. Insgesamt wird es den Physikern so vielleicht gelingen, ein sehr altes Rätsel zu lösen: Unmittelbar nach dem Urknall waren Antimaterie und Materie gleichermaßen vorhanden. Die meisten Teilchen haben sich am Anfang gegenseitig vernichtet: Aber es gab einen kleinen Unterschied zwischen Antimaterie und Materie, einen Symmetriebruch, der dafür gesorgt hat, dass am Ende die Antimaterie verschwunden und die Materie übriggeblieben ist. Anders ausgedrückt: Tief in den Naturgesetzen verborgen ist der Schlüssel zu unserer Welt, wie sie sich seit dem Urknall entwickelt hat.

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