Yoctosekunden Lichtblitze aus dem Quark-Gluon-Plasma

2009-10-08 Anton Rebhan

Andreas Ipp, ein Physiker der TU Wien und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg schlagen eine neue Methode vor, ultrakurze Lichtblitze zu erzeugen, die noch millionfach kürzer als die bisherigen Rekorde im Bereich von Attosekunden sein würden. Gelingen soll das mit Hilfe eines Quark-Gluon-Plasmas, dem extremen Materiezustand, der in unserem Universium Sekundenbruchteile nach dem Urknall geherrscht hat und der nun in Schwerionenstößen am RHIC in Brookhaven oder demnächst auch mit dem LHC am CERN in Genf erzeugt wird.

Vorgestellt wurde diese neue Methode in der Oktoberausgabe des Fachmagazin Physical Review Letters in einem Paper von Andreas Ipp, Christoph H. Keitel, Jörg Evers, prominent hervorgehoben als "Editor`s Suggestion", und aufgegriffen auch vom New Scientist, in einem Artikel mit dem Titel "Big-bang plasma-soup flashgun to snap atomic anatomy".

Die Erzeugung immer kürzerer Lichtpulse ist für die moderne Atom- und Molekülphysik von großer Bedeutung. Nur durch ultrakurze Lichtblitze kann man quantenphysikalische Phänomene studieren, die so schnell ablaufen, dass sie für jede andere Untersuchungsmethode unsichtbar bleiben. Bisher wurden die kürzesten Lichtpulse erzeugt, indem man Atome mit Laserstrahlen beschoss, deren Energie in Form kurzer Lichtblitze wieder abgegeben wurden. Die nun vorgeschlagene Methode geht völlig andere Wege: „Lässt man schwere Ionen beinahe mit Lichtgeschwindigkeit kollidieren, bilden sie für einen winzigen Sekundenbruchteil ein Quark-Gluon-Plasma, das als Lichtquelle für ultrakurze Pulse dienen kann“, erklärt Andreas Ipp vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. In einem Quark-Gluon-Plasma, dem Zustand, in dem sich die Materie kurz nach dem Urknall befand, ist die Temperatur so hoch, dass selbst Protonen und Neutronen in ihre Bestandteile "aufgeschmolzen" werden. Die winzigsten Bauteile der Materie Quarks und Gluonen bewegen sich dann wirr durcheinander. Heute kann dieser Materiezustand in großen Beschleunigeranlagen, etwa am RHIC in Brookhaven oder demnächst auch am CERN LHC in Genf, experimentell hergestellt werden.

Während der extrem kurzen Zeit, in dem sich die Ionen bei der Kollision im Quark-Gluon-Plasma-Zustand befinden, können sie Lichtteilchen aussenden. Die Blitze, die dabei entstehen, dauern nur einige Yoctosekunden (10-24 Sekunden, Milliardstel eines Milliardstels einer Millionstelsekunde) lang. Das ist etwa die Zeit, die das Licht benötigt, um einen Atomkern zu durchqueren. Solche Zeitskalen sind mit menschlichen Maßstäben kaum zu beschreiben: Die Länge des Pulses verhält sich zu einer Tausendstelsekunde etwa so wie eine Tausendstelsekunde zum Alter des Universums. Die Lichtpulse sind zwar nicht besonders energiereich, aber weil sie alle ihre Energie in einem einzigen winzigen Augenblick abgeben, erreichen sie in dieser kurzen Zeit eine Leistung von mehreren Terawatt vergleichbar mit der Leistung aller Kraftwerke der Erde zusammengenommen.

Die Wissenschafter simulierten den zeitlichen Ablauf eines Ionenzusammenstoßes und der damit verbundenen Lichtpulse am Computer. „Besonders interessant ist, dass das Quark-Gluon-Plasma nicht in jeder Phase der Kollision in die selben Richtungen abstrahlt“, betont Andreas Ipp. Zu Beginn der Kollision strahlt das Plasma in alle Richtungen. Doch das Plasma dehnt sich aufgrund der Stoßgeometrie sehr rasch entlang der Stoßrichtung aus. Während dieser anisotropen Ausdehnungsphase, in der Plasmainstabilitäten auftreten, strahlt das Plasma bevorzugt im rechten Winkel zur Stoßrichtung ab. Erst wenn das Plasma thermalisiert, strahlt es wieder gleichmäßig in alle Richtungen. Direkt in Stoßrichtung sendet das Quark-Gluon-Plasma also hauptsächlich am Anfang und am Ende des Zusammenstoßes Strahlung aus - ein Doppelpuls entsteht. Durch geeignete Wahl der Stoßrichtung und der Stoßgeschwindigkeit sind diese Doppelpulse im Prinzip steuerbar. "Vielleicht gelingt es eines Tages, mit solchen kontrollierten Yoctosekunden-Doppelpulsen das erste Zeitlupenvideo von Prozessen innerhalb von Atomkernen zu filmen" hofft Andreas Ipp.

Zeitliche Entwicklung des Quark-Gluon-Plasmas. Die beiden als farbige Scheiben dargestellten Ionen kollidieren entlang der Stoßachse (schwarzer Doppelpfeil). Bild (a) zeigt den Zeitpunkt unmittelbar nach der Kollision. Das Plasma (oranger Bereich) strahlt durch gewellte Pfeile angedeutetes Licht in alle Richtungen aus, so dass ein erster Puls in Richtung des Detektors (grüner Halbkreis) entsteht. (b) Nach einiger Zeit bewirkt die innere Dynamik des Plasmas, dass das Licht bevorzugt senkrecht zur Flugrichtung der Ionen abgestrahlt wird. In Richtung des Detektors, der dicht bei der Stoßachse aufgestellt ist, wird in dieser Zeit kein Licht ausgesandt. In (c) strahlt das Plasma wieder in alle Richtungen, so dass der zweite Puls in Richtung des Detektors emittiert wird. (c) MPI für Kernphysik Heidelberg)

Andreas Ipp, der im Jahr 2003 auf teilchen.at schon Kopf des Monats 2003-07 war, hat an der TU Wien Technische Physik studiert und dort 2004 das Doktorat erlangt. Von 2004 bis 2006 war er am ECT Trento, Italien als Forscher tätig, und von 2006 bis 2009 am Max Planck Institut für Kernphysik in Heidelberg, wo er gemeinsam mit Kollegen seine Berechnungen über Yoctosekundenpulse durchführte. Seit 1. Oktober 2009 ist er wieder am Institut für Theoretische Physik an der TU Wien tätig, an dem, wie hier schon öfters berichtet, intensiv an Quark-Gluon-Plasmaphysik geforscht wird.


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