Vom 10.-12. August 2005 fand an der TU Wien ein Workshop zum Thema Quark-Gluon-Plasma statt. Knapp 70 Physiker aus aller Welt diskutierten die neuesten experimentellen Ergebnisse vom relativistischen Schwerionenbeschleuniger RHIC am Brookhaven National Laboratory zur Herstellung eines Quark-Gluon-Plasma.
Mit hochenergetischen Kollisionen von Goldatomkernen werden am RHIC die Bedingungen, die in den ersten 10 Mikrosekunden nach dem Urknall im Universum herrschten, nachgestellt. Bei den dabei erreichten Temperaturen von mehreren 10 hoch 12 Kelvin (10.000 Milliarden Grad) werden die Protonen und Neutronen aus den Atomkernen zu einem Quark-Gluon-Plasma verschmolzen, das dann in einem Miniurknall auseinanderfliegt und wieder zu gewöhnlichen Nukleonen und Pionen ausfriert. In den letzten 1-2 Jahren mehrten sich die Hinweise, dass das kurzfristig entstandene Quark-Gluon-Plasma schneller in ein thermisches Gleichgewicht kommen dürfte, als theoretisch von der zuständigen Theorie, der Quantenchromodynamik, zunächst erklärbar ist. Das Quark-Gluon-Plasma scheint zudem eine dermaßen niedrige Viskosität zu haben, dass es dies zur perfektesten jemals experimentell realisierten Flüssigkeit machen würde (siehe z.B. dieses RHIC press release).
Das Workshop an der TU Wien wurde von den Physikern Christian Fabjan (Atominstitut), der am CERN an Schwerionenexperimenten beteiligt ist, und von Anton Rebhan (Institut für Theoretische Physik), der als Theoretiker an Quark-Gluon-Plasmaphysik arbeitet, organisiert. Es konzentrierte sich auf die Problematik der ungeklärten schnellen Thermalisierung des Quark-Gluon-Plasma und versammelte die zuständigen Spezialisten, die fast alle in der vorhergegangenen Woche an der diesjährigen "QUARK MATTER" Konferenz in Budapest (mit ca. 800 Teilnehmern) teilgenommen hatten, wo die neuesten experimentellen Ergebnisse in mehreren Parallel-Sitzungen vorgetragen wurden und dabei nicht wirklich ausdiskutiert werden konnten. Trotz des anstrengenden Programms von QUARK MATTER 2005 meldeten sich noch in letzter Minute mehrere führende Quark-Gluon-Plasmaphysiker zum Wiener Workshop an, dessen Thema sich als zunehmend "heiß" erwiesen hatte.
In Wien wurden dann nochmals die neuesten experimentellen Befunde durchgegangen und ausgiebig diskutiert. Verschiedene Theoretiker stellten ihre neuesten Ideen vor, die eine erstaunliche Breite aufwiesen. Der Superstringtheoretiker Andrei Starinets vom Perimeter Institute in Kanada präsentierte zum Beispiel Ergebnisse von stringtheoretischen Rechnungen über theoretische Schranken an hydodynamische Parameter in stark gekoppelten Quantenfeldtheorien; Dimitri Kharzeev vom BNL behandelte das Thermalisierungsproblem mit Hilfe von Methoden aus der Theorie der schwarzen Löcher (was einer der Teilnehmer ironisch als "black magic" bezeichnete - ohne es komplett abzutun, nachdem er selber Vorarbeiten dazu geleistet hatte); Edward Shuryak von der State University New York at Stony Brook vertrat eine Theorie, die den Quark-Gluon-Plasma-Feuerball als dominiert von Bindungszuständen zu verstehen sucht, was er mit diesem Bild illustrierte.
Als besonders "heiß" erwies sich insbesondere die These, dass eine sogenannte nicht-Abelsche Verallgemeinerung der von elektromagnetischen Plasmen bekannten Plasma-Instabilitäten eine zentrale Rolle bei der scheinbar vorzeitigen Thermalisierung spielen sollte. Hierzu präsentierten zwei Gruppen neue numerische Studien, in denen erstmals aufwändige dreidimensionale Gittersimulationen durchgeführt wurden: Eine nordamerikanische Gruppe, repräsentiert von Guy Moore, umfasst die Universitäten von Seattle, Virginia, und Montreal, und die zweite involviert neben den Universitäten von Helsinki und Bielefeld auch die TU Wien. Deren Ergebnisse wurden von Mike Strickland, der vor seiner momentanen Stelle an der Universität Helsinki zwei Jahre lang Lise-Meitner-Fellow am Institut für Theoretische Physik der TU Wien war, vorgestellt. Diese entstanden in Kollaboration mit Ao.Univ.Prof. Anton Rebhan von der TU Wien und Paul Romatschke, TU-Absolvent und nunmehr Postdoc an der Uni Bielefeld (schon früher einmal als Kopf des Monats auf teilchen.at vorgestellt). Die numerischen Simulationen zeigen, dass eine Nicht-Gleichgewichtsverteilung von Quarks und Gluonen im Quark-Gluon-Plasma zu einem kohärenten exponentiellen Anwachsen von "chromo-magnetischen" Feldern führt - quasi eine "Farbenexplosion" - die in der Folge komplizierte nichtlineare Effekte hervorruft, die für die ungeklärt schnelle Thermalisierung verantwortlich sein könnten. Mike Strickland zeigte dazu folgendes Falschfarbenbild, in dem die Zeit von unten nach oben verläuft und die horizontale Achse der Achse des Schwerionenbeschleunigers entspricht:
Dargestellt ist hier nur der Farbfreiheitsgrad (und nicht das exponentielle Anwachsen der Feldstärken). Von unten nach oben sieht man drei verschiedene Phasen: aus anfänglich statistisch verteilte Fluktuationen, die mit Lichtgeschwindigkeit nach links und rechts propagieren, wachsen kohärente Farbkonfigurationen, die schließlich in starke Wechselwirkung untereinander übergehen.
PDF und Powerpoint files von Konferenzbeiträgen können auf der
Konferenz-Homepage vom Wiener Workshop über Quark-Gluon-Plasma-Thermalisierung
frei zugänglich eingesehen werden (wenn auch nicht unbedingt leicht verständlich). Ebenso:
Konferenz-Homepage von QUARK MATTER 05 in Budapest
Von Peter Steinberg, Experimentalphysiker am RHIC, der an beiden Tagungen teilnahm, gibt es ein ausführliches "blog" auf seinen "Quantum Diaries". Zum Wiener Workshop schrieb er:
The workshop itself took place in the yellow room shown above (which caused no shortage of hallucinations at times, with the yellow desks blending into the yellow walls, with seemingly-disembodied heads peeking over them). After the chaos of Quark Matter, where one had to run from session to session just to see the talks one wanted, often leading to my missing the Q&A, here we could basically discuss things in real-time, and we did. People had seen many of these talks in Budapest, so the grilling was quite intense at times. Fun.
(Studenten der TU Wien werden in dieser Beschreibung unschwer den Nöbauer Hörsaal als Tagungsort wiedererkennen.)
