Wissenschaftler am Large Hadron Collider (LHC) des CERN haben bestätigt, dass sich der früheste Zustand des Universums – ein Billionen-Grad-Plasma aus Quarks und Gluonen – wie eine Flüssigkeit verhielt, was die Idee stützt, dass der frühe Kosmos eine buchstäbliche „Ursuppe“ war. Diese Entdeckung liefert entscheidende Beweise für das Verständnis der Bedingungen unmittelbar nach dem Urknall, als sich erstmals fundamentale Teilchen bildeten.
Das frühe Universum neu erschaffen
Das Quark-Gluon-Plasma (QGP), ein Materiezustand, der nur Millionstelsekunden nach der Geburt des Universums existierte, wird nun durch die Kollision schwerer Bleiionen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit im LHC künstlich wiederhergestellt. Unter diesen extremen Bedingungen werden Quarks und Gluonen freigesetzt, die normalerweise in Protonen und Neutronen eingeschlossen sind, was kurzzeitig die Umgebung des frühen Universums nachahmt.
Forscher vom MIT beobachteten mithilfe des Compact Muon Solenoid (CMS)-Detektors des LHC, dass Partikel, die sich durch dieses QGP bewegen, „Stoßwellen“ erzeugen, die denen ähneln, die ein Boot beim Durchqueren des Wassers hinterlässt. Dieses Verhalten beweist, dass das Plasma auf sich bewegende Partikel wie eine Flüssigkeit reagiert und nicht wie einzelne, zufällig streuende Partikel. Dieser Zusammenhalt macht es als Flüssigkeit aus.
Das „Hybridmodell“ bestätigt
Die Ergebnisse stützen das „Hybridmodell“ von QGP, das diese flüssigkeitsähnliche Reaktion vorhersagte. Frühere Experimente hatten Schwierigkeiten, diese Wirbelströme zu erkennen, da gegensätzliche Quarks die gegenseitige Wirkung verdeckten. Das MIT-Team entwickelte eine neuartige Technik, die den Schwerpunkt von Quarkpaaren auf die Analyse von Wechselwirkungen zwischen Quarks und neutralen Z-Bosonen verlagerte. Z-Bosonen haben nur minimale Auswirkungen auf das umgebende Plasma, sodass Forscher die ausschließlich von Quarks erzeugten Wirbelströme isolieren und beobachten können.
Nach der Analyse von 13 Milliarden LHC-Kollisionen identifizierte das Team über 2.000 Fälle, in denen ein Quark ein klares Nachlaufmuster hinterließ, das mit der Fluiddynamik übereinstimmt. Diese Beweise bestätigen, dass es sich bei QGP nicht nur um eine Flüssigkeit, sondern um eine echte Flüssigkeit handelt, die in der Lage ist, sich bewegende Partikel zu verlangsamen und Wellen zu erzeugen.
Implikationen für die Kosmologie
Diese Entdeckung ist bedeutsam, weil sie theoretische Modelle des frühen Universums bestätigt und Einblicke in die Entstehung von Materie liefert. Das QGP war nicht nur die erste Flüssigkeit, die es gab; Mit Billionen Grad war es auch am heißesten. Da es sich um eine nahezu perfekte Flüssigkeit handelt, flossen ihre Bestandteile reibungslos und ohne Reibung zusammen.
„Wir haben den ersten direkten Beweis dafür erhalten, dass das Quark auf seiner Reise tatsächlich mehr Plasma mit sich zieht“, sagte Yen-Jie Lee, ein Teammitglied am MIT. „Dies wird es uns ermöglichen, die Eigenschaften und das Verhalten dieser exotischen Flüssigkeit in noch nie dagewesener Detailtiefe zu untersuchen.“
Die Möglichkeit, diese Ursuppe zu studieren, wird unser Verständnis der frühesten Momente des Universums und der Bedingungen, unter denen die Materie entstand, die wir heute sehen, verfeinern.
