Forscher erzeugen Mini-Urknall am CERN – und kommen so dem frühen Universum näher

Am CERN erzeugen Physiker einen Mini-Urknall mit überraschend kleinen Atomkernen und gewinnen dadurch neue Einblicke ins frühe Universum.

Für einen winzigen Moment herrschte am CERN ein Zustand, den es heute nirgendwo im Universum mehr natürlich gibt: Materie war so heiß und dicht, dass Protonen und Neutronen noch nicht in ihrer gewohnten Form existierten. Solche Bedingungen prägten das Universum unmittelbar nach dem Urknall. Nun gelang es Physikern, Hinweise auf diesen Zustand mit deutlich kleineren Atomkernen zu erzeugen als bislang angenommen. Kollisionen von Sauerstoff-16 und Neon-20 liefern damit neue Informationen darüber, wie sich die erste Materie verhielt – und sogar darüber, welche Form die beteiligten Atomkerne hatten.

Die Messungen stammen aus der internationalen ALICE-Kollaboration am Large Hadron Collider. Beteiligt war unter anderem ein Team des Niels-Bohr-Instituts der Universität Kopenhagen. Die Studie erschien im Fachjournal Physical Review Letters. „Wir haben die Grenze dafür verschoben, wie klein Atomkerne sein können, mit denen sich diese ursprüngliche Materie noch erzeugen lässt“, sagt Versuchsleiter You Zhou. Die Forscher sprechen deshalb von einem „Little Big Bang“, einem Mini-Urknall.

Kleinere Atomkerne bringen den Urknall überraschend nahe

Kurz nach dem Urknall war das Universum so heiß, dass Protonen und Neutronen noch nicht in ihrer heutigen Form existierten. Ihre Bestandteile, Quarks und Gluonen, bewegten sich frei in einer extrem dichten Materie. Physiker bezeichnen diesen Zustand als Quark-Gluon-Plasma. Erst als sich das Universum ausdehnte und abkühlte, verbanden sich Quarks zu Protonen und Neutronen. Daraus entstanden später Atomkerne und schließlich die gewöhnliche Materie.

Bislang erzeugten Forscher solch heiße Materie vor allem durch Kollisionen sehr schwerer Atomkerne, etwa von Blei. Die neuen Versuche mit Sauerstoff und Neon verschieben diese Grenze. Beide Kerne sind wesentlich leichter. Trotzdem entwickelten sich nach dem Zusammenstoß Bewegungsmuster, wie sie für kollektiv strömende Materie typisch sind. Die Forscher wollen nun besser verstehen, ab welcher Größe eines Atomkerns dieser Zustand überhaupt noch entstehen kann.

Teilchenspuren verraten überraschend viel über den Atomkern

Das Plasma selbst existiert nur für einen winzigen Bruchteil einer Sekunde und lässt sich nicht unmittelbar betrachten. Nach der Kollision zerfällt es jedoch in zahlreiche Teilchen. Deren Bewegungsrichtungen enthalten Informationen über den Zustand kurz zuvor. Aus diesen Mustern konnten die Physiker Rückschlüsse auf die ursprüngliche Form der Atomkerne ziehen.

Dabei fiel ein Unterschied zwischen Sauerstoff und Neon auf. Kollisionen mit Sauerstoff erzeugten eher rundliche Bewegungsmuster. Bei Neon entstand dagegen ein länglicher Abdruck, der an die Form eines Bowlingkegels erinnert. „Man kann das Objekt nicht direkt sehen, aber sein Schatten verrät seine Form“, sagt Co-Autor Emil Gorm Dahlbæk Nielsen. Ähnlich lesen die Physiker aus den späteren Teilchenbahnen heraus, wie der Atomkern vor dem Zusammenstoß aufgebaut war.

© ALICE@CERN Bei Kollisionen mit Neon entstand ein längliches Teilchenmuster – ein Hinweis auf die ungewöhnliche Form des Atomkerns. © ALICE@CERN

Neon hinterlässt einen Abdruck wie ein Bowlingkegel

Die Form eines Atomkerns hängt davon ab, wie Protonen und Neutronen darin angeordnet sind. Solche Strukturen liefern Hinweise auf die starke Wechselwirkung, eine der vier Grundkräfte der Natur. Sie hält unter anderem die Bausteine der Atomkerne zusammen. Seit Jahrzehnten untersuchen Physiker Kernformen über Schwingungen, Rotationen und andere Eigenschaften bei vergleichsweise niedrigen Energien.

Am CERN wählen die Forscher nun einen deutlich drastischeren Weg. Sie lassen Atomkerne mit sehr hoher Energie kollidieren und analysieren anschließend die Spuren des Zusammenstoßes. „Anstatt Kerne sorgfältig bei niedrigen Energien zu untersuchen, zertrümmern wir sie bei den höchsten Energien, die wir erzeugen können, und können ihre Form aus dem Abdruck ablesen, den sie hinterlassen“, sagt Zhou. Dadurch könnte sich eine zusätzliche Methode zur Untersuchung schwer zugänglicher Kernstrukturen entwickeln.

Noch leichtere Kerne sollen die Grenze des Mini-Urknalls testen

Wo die untere Grenze liegt, wissen die Physiker noch nicht. Als nächsten Schritt wollen sie Kollisionen mit noch leichteren Atomkernen untersuchen. Helium-4 gilt dabei als möglicher Kandidat. Wenn auch solche Kerne typische Fließmuster erzeugen, würde sich der Bereich weiter verkleinern, in dem Materie mit Eigenschaften des frühen Universums entstehen kann.

Die Versuche liefern damit Informationen über zwei sehr unterschiedliche Größenordnungen: über Atomkerne und über die Materie in der Frühzeit des Kosmos. „Faszinierend ist, dass wir mit demselben Experiment sowohl etwas über die Struktur von Atomkernen als auch über die Geburt des Universums lernen können“, sagt Zhou. Weitere Messungen sollen klären, wie leicht ein Kern sein darf, bevor die charakteristischen Spuren verschwinden.

Kurz zusammengefasst:

Am CERN erzeugten Kollisionen von Sauerstoff-16 und Neon-20 Teilchenmuster, die zu extrem heißer Materie aus der frühen Phase nach dem Urknall passen.
Die Bewegungen der entstehenden Teilchen enthalten Hinweise auf die Form der Atomkerne. Neon hinterließ dabei einen länglichen Abdruck.
Künftige Versuche mit noch leichteren Kernen wie Helium-4 sollen klären, wo die untere Grenze für solche Mini-Urknall-Experimente liegt.

Übrigens: Am CERN soll ein neuer Teilchenbeschleuniger mit fast 91 Kilometern Umfang entstehen, der deutlich leistungsfähiger wäre als der heutige LHC. Mit ihm wollen Physiker unter anderem das Higgs-Boson genauer untersuchen und nach bislang unbekannten Teilchen suchen. Mehr dazu in unserem Artikel.