Physiker entdecken rätselhaftes Signal bei kollidierenden Gold-Atomen

Physiker haben bei Kollisionen von Goldkernen ein unerwartetes Muster entdeckt, das auf einen lange gesuchten kritischen Punkt in der Entwicklung extrem heißer Kernmaterie am Anfang des Universums hindeuten könnte.

Auflösung in Plasma

Das Signal stammt aus Experimenten am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) des Brookhaven National Laboratory in den USA. Für die Untersuchung ließen die Wissenschaftler Gold-Atomkerne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen. Dabei entsteht für einen kurzen Moment ein extrem heißer Zustand, in dem sich Protonen und Neutronen in ihre Bestandteile auflösen: Quarks und Gluonen. Ein solcher sogenannter Quark-Gluon-Plasma-Zustand soll auch in den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall das Universum erfüllt haben.

Die Forscher untersuchten rund eine Milliarde Kollisionen bei Energien zwischen 3 und 7,7 Gigaelektronenvolt. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf den niedrigeren Energiebereichen, in denen die Materie besonders stark verdichtet wird. Das Team analysierte unter anderem, wie stark geladene Teilchen nach den Kollisionen seitlich aus dem entstehenden "Feuerball" geschleudert werden.


Dabei stießen die Wissenschaftler auf eine Auffälligkeit: Erwartet hatten sie, dass sich die Schwankungen dieser Teilchenbewegungen mit steigender Kollisionsenergie allmählich verändern. Stattdessen zeigte sich bei besonders zentralen Kollisionen ein deutlicher Einbruch. Die gemessenen Korrelationen wurden zunächst kleiner und anschließend wieder größer.

Eine solche Abweichung könnte darauf hindeuten, dass die Materie in diesem Energiebereich einen sogenannten kritischen Punkt erreicht. In der Physik beschreibt dieser Punkt den Übergang zwischen unterschiedlichen Arten von Phasenwechseln. Ein Vergleich mit Wasser macht das Prinzip anschaulich: Am kritischen Punkt verschwindet der Unterschied zwischen flüssigem Wasser und Wasserdampf.

Forscher bleiben vorsichtig

Die statistische Signifikanz des beobachteten Signals liegt bei fünf Sigma. Zufällige Schwankungen würden ein derart ausgeprägtes Muster bei einer ansonsten glatten Entwicklung nur äußerst selten erzeugen. Eine etablierte Computersimulation, die keinen kritischen Punkt berücksichtigt, konnte den Einbruch zudem nicht reproduzieren.

Dennoch bleiben die Forscher vorsichtig. Auch andere physikalische Effekte könnten die beobachteten Schwankungen beeinflussen. Deshalb sollen weitere Messungen und theoretische Modelle klären, ob tatsächlich der gesuchte kritische Punkt dahintersteckt. Unter anderem wollen die Wissenschaftler die spezifische Wärme der erzeugten Materie bestimmen und die Ergebnisse mit Simulationen der Quark-Gluon-Wechselwirkungen vergleichen. Erst wenn mehrere unabhängige Messungen dasselbe Muster zeigen, wäre ein belastbarer Nachweis möglich.

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