Rätselhaftes Quark-Gluon-Plasma

2005-04-30 Anton Rebhan

Seit über 5 Jahren werden am RHIC (Relativistic Heavy-Ion Collider) auf Long Island (New York) Gold-Ionen mit extremen Energien aufeinander geschossen, sodass kurzzeitig ein Quark-Gluon-Plasma entsteht, wie es zuletzt 30 μsec nach dem Urknall existiert haben sollte. Die Vermessung des dabei entstehenden "Little Bang" hat einige neue Rätsel aufgeworfen, die Theoretiker nach neuen Erklärungen suchen lässt, die bis zur Physik schwarzer Löcher reicht.

Ein unerwartetes Ergebnis ist die gemessene Größe des Feuerballs, der auf eine elegante Weise mittels Interferenzeffekte der aus dem Feuerball herausschießenden Pionen gemessen werden kann, obwohl er nur etwas größer als ein schwerer Atomkern ist. Diese "Hanbury-Brown-Twiss-Methode" ist analog zu der, mit der Astronomen die Größe ferner Sterne messen, nur dass statt Photonen Pionen - die Austauschteilchen der starken Kernkraft - herangezogen werden. Gefunden wurde ein unerwartet stark räumlich konzentrierter Feuerball. In einem soeben erschienen Artikel in Physical Review Letters wurde dieses sogenannte "RHIC-Hanbury-Brown-Twiss-Puzzle" nun von Wissenschaftlern von der University of Washington in Seattle dadurch erklärt, dass auf Grund der starken Wechselwirkungen Brechungseffekte der Pionen-Wellen auftreten, die wie eine Linse wirken, und den Feuerball um die Hälfte kleiner wirken lassen, als er ist. Für die detaillierte Erklärung spielt auch eine Rolle, dass in dem entstandenen Quark-Gluon-Plasma die sogenannte chirale Symmetriebrechung aufgehoben wird, was ein weiteres Indiz für die tatsäche Produktion des Quark-Gluon-Plasma darstellt.

Ein weiterhin ungeklärtes Rätsel ist hingegen die extrem kurze Zeit, die es zu brauchen scheint, um ein isotropes thermalisiertes Quark-Gluon-Plasma entstehen zu lassen. Diese Zeit ist weit kürzer als alle bisherigen Rechnungen vermuten ließen. Hierzu gibt es inzwischen eine Zahl mehr oder weniger spekulativer Ideen. Eine geht davon aus, dass die Wechselwirkungen so stark sind, dass sie besser durch neue "duale" Theorien beschrieben werden, die eigenartigerweise mit der Physik von schwarzen Löchern in einem 5-dimensionalen "anti-de-Sitter"-Raum verknüpft sind. Der Feuerball am RHIC wäre demnach ein "duales schwarzes Loch", wie vor kurzem der Theoretiker Horatiu Nastase von der Brown University postulierte.

Ein anderer Vorschlag bringt die rasche Thermalisierung ebenfalls mit der Physik schwarzer Löcher in Zusammenhang, nämlich mit dem Phänomen der Hawking-Strahlung, das ein Analogon bei den extremen Beschleunigungen der Kernteilchen haben könnte, wie die beiden russischen Physiker Kharzeev und Tuchin, die an der Theorie-Abteilung des RHIC arbeiten, vorschlugen.

Eine völlig andere Erklärung könnte hingegen durch sogenannte Plasma-Instabilitäten geliefert werden, die in konventionellen elektromagnetischen Plasmen ebenfalls zu schneller Thermalisierung führen. Die entsprechende Verallgemeinerung auf das Quark-Gluon-Plasma war schon vor einigen Jahren von dem polnischen Physiker Stanislaw Mrowczynski angedacht worden, und hat in letzter Zeit zu intensiven Forschungsaktivitäten geführt, in denen auch die Technische Universität Wien involviert ist. In einem ebenfalls soeben erschienen Artikel in Physical Review Letters von Anton Rebhan (TU Wien), Paul Romatschke (Uni Bielefeld) und Mike Strickland (Universität Helsinki) wurde gezeigt, dass es im stark nichtlinearen Regime exponentiell wachsende Instabilitäten geben kann, die eine schnelle Isotropisierung auch in einem nicht extrem stark gekoppelten Quark-Gluon-Plasma ermöglichen können.

All diese Fragen werden im kommenden Sommer auf der diesmal in Budapest stattfindenden Quark Matter Konferenz eine prominente Rolle spielen. Der Frage der Thermalisierung des Quark-Gluon-Plasma wird dabei ein separates Workshop gewidmet werden, das an der TU Wien über die Bühne gehen wird.

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