Andreas Windisch über Erscheinungsformen von Materie


Welche Zustände von Materie gab es im frühen Universum? Welche Zustände sind unter extremen Bedingungen, wie etwa im Inneren eines Neutronensterns, möglich? Die Antworten auf diese Fragen liegen im sogenannten "QCD-Phasendiagramm" - einem Konzept das im Folgenden genaür vorgestellt werden soll.

Mein Name ist Andreas Windisch und ich arbeite zur Zeit an meiner Dissertation in der Gruppe von Prof. Reinhard Alkofer am Institut für Theoretische Physik an der Karl-Franzens Universität Graz. In unserer Gruppe untersuchen wir Fragestellungen der Teilchenphysik mit Hilfe funktionaler Methoden der Kontinuums-Quantenfeldtheorie. Die subatomare Physik bietet eine beliebige Fülle interessanter und faszinierender Fragestellungen - wie etwa die beiden eingangs gestellten Fragen, die im Mittelpunkt dieses Artikels stehen.

Dieser kleine Streifzug durch das QCD-Phasendiagramm richtet sich an den interessierten, fachfremden Leser, der hier vom Bekannten zum Unbekannten geführt werden soll. Als Startpunkt wählen wir also ein Element das jedem Menschen von Kindesbeinen an ein Begriff ist: Wasser. Wir alle kennen und schätzen Wasser in all seinen Erscheinungsformen - sei es ein kühles Glas Wasser im Sommer um unseren Durst zu stillen, ein zu Eis gefrorener Teich zum Schlittschuhlaufen im Winter, oder Wasserdampf der etwa eine Dampfturbine zur Stromerzeugung antreibt den wir dann nach unserem Belieben nutzen können. Diese drei Erscheinungsformen (oder auch Phasen) ein- und desselben Grundstoffes können im sogenannten Phasendiagramm für Wasser dargestellt werden, siehe Abbildung Fig. 1.

Phasendiagramm für Wasser

Fig. 1: Phasendiagramm für Wasser, http://de.wikipedia.org/wiki/Phasendiagramm

Ein solches Phasendiagramm gibt Aufschluss darüber, welchen Zustand - in diesem Fall Wasser - in Abhängigkeit von externen Zustandsgrößen - hier Temperatur (x-Achse) und Druck (y-Achse) - einnimmt. Obwohl es sich immer um Wassermoleküle handelt, sind die Erscheinungsformen dieses Stoffes sehr unterschiedlich. Die Linien in dem Diagramm sind Phasenübergangslinien, die den Wechsel von einer Erscheinungsform in eine andere andeuten. Wenn wir im Diagramm in Abbildung Fig. 1 zum Beispiel der strichlierten Linie die mit "1 bar" bezeichnet ist nach rechts folgen so sehen wir, dass bei Atmosphärendruck Eis bei 0 Grad Celsius schmilzt, und dass Wasser bei diesem Druck bei 100 Grad Celsius verdampft. Weiters können wir dem Diagramm auch sofort entnehmen, dass in einem Dampfdruck-Kochtopf Wasser bei über 100 Grad Celsius flüssig gehalten werden kann, da der Druck in diesem Fall ja über einem bar, also über dem Atmosphärendruck liegt. Wir wollen uns das Konzept des Phasendiagramms als ersten wichtigen Schritt in diesem Streifzug im Gedächtnis behalten: "Ein Phasendiagramm zeigt mögliche Zustände eines Stoffes in Abhängigkeit externer Größen (Zustandsgrößen) wie etwa Druck und Temperatur".

Wenn wir, wie gerade eben, über Wasser sprechen ist klar, dass wir H2O meinen, also eine chemische Verbindung von Atomen. De facto sind aber Atome an sich bereits eine bestimmte Erscheinungsform von Materie, also ein bestimmter Zustand von elementaren Materiebausteinen. Diese Materiebausteine besitzen, genau wie Wasser, ihr eigenes Phasendiagramm. Um das Phasendiagramm der Materiebausteine ergründen zu können müssen wir zunächstes in groben Zügen in einem kleinen Exkurs den Aufbau der Materie betrachten.

Wir glauben heute, dass in der Natur vier fundamentale Kräfte am Werk sind die uns und die Welt in der wir leben formen und bestimmen: die Gravitation, die wir jeden Tag durch die Schwerkraft erfahren; die elektromagnetische Kraft, die es uns ermöglicht unsere Umgebung durch Licht wahrzunehmen; die etwas weniger geläufige schwache Kraft, die etwa bei radioaktiven Zerfällen eine Rolle spielt; und zuletzt, die starke Kraft, die für den Zusammenhalt der Materie an sich verantwortlich ist. Im Standardmodell der Teilchenphysik wird die starke Kraft durch eine Theorie beschrieben die "Quantenchromodynamik" (kurz QCD) genannt wird. Der Wortteil "chromo" stammt aus dem griechischen und bedeutet "Farbe". Dabei schreibt man, analog zur Quantenelektrodyamik in der das Elektron eine Elementarladung trägt, den "Quarks", das sind die Materiebausteine, zusätzlich sogenannte Farbladungen zu. Da es drei unterschiedliche Ladungen der Quarks gibt hat man ihnen zur Veranschaulichung die Farben Rot, Grün und Blau zugewiesen. Die Farben erlauben es außerdem eine frappierende Eigenschaft der Theorie zu verdeutlichen: den sogenannten Farbeinschluss, im Englischen "color confinement" oder kurz "confinement" genannt. Confinement bedeutet, dass farbige Objekte nicht alleine auftreten dürfen, sondern immer nur farbneutrale, zusammengesetzte Objekte. Hier hilft die Analogie mit den Farben, denn wann immer aus farbigen Objekten ein Bindungszustand geformt wird der insgesamt farbneutral ist, das heißt, wann immer sich die Farben zu weiß mischen, hat man einen (im Prinzip) beobachtbaren Zustand vorliegen. Quarks wechselwirken dabei untereinander durch Mediatorteilchen die "Gluonen" genannt werden. "Glue" aus dem Englischen, bedeutet Klebstoff. Dieser Klebstoff bindet die Quarks aneinander. So kann man zum Beispiel aus einem roten, einem grünen und einem blauen Quark (die genau genommen weitere Unterscheidungsmerkmale aufweisen) ein Proton, also den Kern eines Wasserstoffatoms formen. Nicht überall im Phasendiagramm der Materiebausteine ist es aber möglich nukleare Materie zu formen, siehe Abbildung Fig. 2. Dies führt uns nun zum eigentlichen Thema dieses Artikels, dem QCD-Phasendiagramm.

Skizze des QCD Phasendiagramms

Fig. 2: Skizze des QCD Phasendiagramms

Die in der Skizze in Abbildung Fig. 2 gezeigten roten Phasenübergangslinien sind keinefalls gesichert, da relativ wenig über die Struktur von Materie bei hohen Dichten und/oder bei hohen Temperaturen bekannt ist. Halten wir die Dichte klein und drehen die Temparatur auf, so bewegen wir uns vom Ursprung aus entlang der y-Achse nach oben. Irgendwann erreichen wir ein Regime in dem es sehr heiß ist, zugleich aber relativ geringe Dichte vorliegt. Dies ist der Bereich des Phasendiagramms der die Temperatur- und Dichteverhältnisse des frühen Universums aufweist. Hier liegt die Antwort auf eine der beiden Fragen die wir am Ausgangspunkt dieser Reise gestellt haben. Materie liegt dann nicht mehr in Form von atomarer Materie vor. Vielmehr bewegen sich die elementaren Bausteine, die Quarks und Gluonen, in dieser Phase als quasi freie Teilchen. So wie das Eis im Phasendiagramm für Wasser schmilzt wenn die Temperatur hinreichend groß ist, so schmilzt also auch atomare Materie wenn es Dichte und Temperatur gewähren. Dieser heiße, wenig dichte Bereich kann auch von Teilchenbeschleunigern, also von experimentellen Einrichtigungen wie etwa dem Large Hadron Collider (LHC) in Genf oder dem Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven bei New York, sondiert werden.

Gehen wir nun zurück zum Ursprung in unserem Phasendiagramm und wenden wir uns dem Gebiet nichtverschwindender Dichte zu. Wir bewegen uns also vom Ursprung aus entlang der x-Achse nach rechts und passieren den bereits angesprochenen Bereich der nuklearen Materie. Irgendwann erreichen wir ein Regime in dem Dichten herrschen wie sie etwa im Inneren eines Neutronensterns vorliegen könnten. Neutronensterne sind in vielerlei Hinsicht sehr extreme Objekte. Sie weisen in der Regel einen Radius in der Größenordnung von etwas mehr als 10 km auf, ihre Masse ist aber etwas größer als jene unserer Sonne! Daher sind Neutronensterne sehr, sehr dicht. Niemand weiß genau was in ihrem Inneren vorgeht, aber um das herauszufinden, dh. eine Antwort auf die zweite, eingangs gestellte Frage zu finden, muss der entsprechende Bereich des QCD Phasendiagramms untersucht werden. So wie im elektrischen Fall kann es auch im Falle der Farbladung zu Supraleitungs- und Suprafluiditätsphänomenen kommen. Im Inneren von Neutronensternen, so glaubt man, könnte Materie in einem solchen farbsupraleitenden Zustand vorliegen.

Wir haben nun zwei extreme Regime des QCD Phasendiagramms erörtert, das sehr heiße aber wenig dichte, und das sehr dichte aber wenig heiße Gebiet. Um die entsprechenden Gebiete theoretisch zu untersuchen bedarf es aufwendigster Rechnungen. Im Falle des dichten Regimes sieht die experimentelle Situation zudem auch noch sehr schlecht aus, nachdem kein Mensch weiß was im Inneren eines Neutronensternes tatsächlich vorgeht. Hier versucht man durch Beobachtungen von Neutronensternen Rückschlüsse auf mögliche Strukturen und Vorgänge in ihrem Inneren zu ziehen. Hinzu kommt noch, dass Berechnungen bei diesen hohen Dichten besonders kompliziert sind.

Ein Ziel meiner Studien ist es, zusammen mit meinen Kollegen Markus Hopfer und Gernot Eichmann die fundamentale Wechselwirkung von Quarks via Gluonen im Vakuum (also im Ursprung des Phasendiagramms wo die Temperatur und die Dichte Null sind) besser zu verstehen. Dabei berechnen wir den sogenannten Quark-Gluon Vertex, um tiefere Einsichten in den oben angesprochenen Confinement-Mechanismus zu erlangen. Darüber hinaus können so wichtige und unwichtige Komponenten dieses komplizierten Objeketes identifiziert werden, was später vielleicht auch zu wichtigen Verbesserungen der Rechenmodelle bei hohen Dichten und oder Temperaturen führen könnte. Zugleich bin ich auch an Neutronensternen interessiert und versuche in einem Projekt an der Washington University in St. Louis, zusammen mit Prof. Mark Alford und Kai Schwenzer, farbsupraleitende Phasen zu erforschen.

Ich habe hier versucht, einen Teil meiner Arbeit vorzustellen und hoffe dass der Leser, der bis zu dieser Zeile ausgeharrt hat, einen Einblick in die spannende Welt der Teilchenphysik erhalten hat. Da meine Arbeit aber nur ein Fragment eines Bruchteils möglicher Fragestellungen behandelt will ich am Ende insbesondere auf die anderen interessanten Beiträge auf dieser Seite verweisen, die ganz im Sinne der bunten Vielfalt der Teilchenphysik unterschiedlichste und spannende Themen behandeln. So wünsche ich viel Freude beim weiterlesen!

Andreas Windisch.


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