Michael Weber über experimentelle Untersuchung des QCD Phasendiagramms

2015-08-06 Georg Pühringer

Mein Name ist Michael Weber und ich komme aus München. Seit Anfang Juli leite ich am Stefan Meyer Institut eine der “New Frontier Groups” der österreichischen Akademie der Wissenschaften. Die Gruppe arbeitet in der ALICE Kollaboration am CERN Large Hadron Collider an der Untersuchung stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen. Nach meinem Studium an der TU München, schrieb ich 2011 meine Doktorarbeit über „Dielektronen Spektroskopie in kalter Kernmaterie“. Danach war ich für vier Jahre als PostDoc in der ALICE Kollaboration am CERN, wo ich unter anderem als Convener für die Physikarbeitsgruppe „Korrelationen und Fluktuationen“ arbeitete.

Materie, wie wir sie heute kennen, ist im Wesentlichen aus Quarks aufgebaut. Diese Elementarteilchen werden durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten und bilden Neutronen und Protonen, die die Bausteine aller Atomkerne darstellen, aus denen unsere gesamte Alltagswelt besteht. Die starke Wechselwirkung wird von der Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben, welche vorhersagt, dass bei ausreichend hoher Energiedichte Materie in einer anderen Form vorliegt. Quarks und Gluonen, die Kraftteilchen der starken Wechselwirkung, können sich frei bewegen, daher der Name Quark-Gluon-Plasma (QGP). Die verschiedenen Phasen der stark wechselwirkenden Materie lassen sich am besten auf einem Phasendiagramm veranschaulichen.

QCD Phasendiagramm

QCD Phasendiagramm

Hier wird die Temperatur gegen das baryo-chemische Potential, das äquivalent zur Dichte ist, aufgetragen. „Normale“ Kernmaterie, also Atomkerne, befinden sich dabei bei Temperatur 0 und einfacher Kernmateriedichte in der hadronischen Phase. Wird die Materie komprimiert oder erhitzt, wird ab einem bestimmten Phasenübergang zum QGP stattfinden.

In kosmologischen Modellen der Geschichte unseres Universums herrschten wenige Millionstel Sekunden nach dem Urknall sehr hohe Temperaturen (links oben im Phasendiagramm). Bei der Abkühlung des Universums bewegt man sich entlang der y-Achse des Phasendiagramms, bis man „normale“ Kernmaterie erreicht, also Protonen und Neutronen. Leider kann die Existenz und die Eigenschaften des QGPs, sowie der Phasenübergang nicht direkt durch astronomische und astrophysikalische Experimente gemessen werden.

Allerdings lassen sich ähnliche Temperaturen auch im Labor bei der Kollision schwerer Atomkerne, z.B. Blei-Ionen, erzeugen. Dazu benötigt man allerdings sehr hohe Energien, wie sie am Large Hadron Collider (LHC) des CERN zur Verfügung stehen. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ist eines der vier großen Experimente am LHC und wurde speziell gebaut, um Schwerionenkollisionen zu messen.

Der ALICE Detektor am CERN Large Hadron Collider

Der ALICE Detektor am CERN Large Hadron Collider

Und hier kommt die “New Frontier Group” am Stefan Meyer Institut ins Spiel. Wir werden uns auf die Messung von Elektron-Positron Paaren bei sehr niedrigen invarianten Massen konzentrieren. Elektronen und Positronen werden in vielen verschiedenen Prozessen während Schwerionenstößen produziert und verlassen die Kollisionszone quasi unverändert, da sie nicht stark wechselwirken. Das Hauptaugenmerk liegt hier auf thermischen Photonen, die dann in Elektron-Positron Paare zerfallen, über die man die Temperatur des QGP messen kann. Desweiteren werden sie beim Zerfall von Vektormesonen, wie ω oder ρ, produziert und können Aufschluss über mögliche Effekte des Mediums auf die Eigenschaften von Teilchen geben. Dabei werden wir Daten der ALICE Kollaboration vom Run 2 des LHC, der Mitte 2015 begonnen hat und die Statistik von Run 1, in den nächsten Jahren um einen Faktor 5-10 verbessern wird.

Für mehr Informationen über das QGP, einfach die folgenden Links besuchen:
http://miweber.web.cern.ch
http://www.oeaw.ac.at/smi


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