Physiker kartieren Teilchenbewegung in primordialem Quark-Gluon-Plasma
Forscher am MIT und an der UCSB erweitern Einsteins Modell der Brownschen Bewegung, um zu analysieren, wie sich subatomare Teilchen nahe der Lichtgeschwindigkeit verhalten
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Physiker am MIT und an der University of California, Santa Barbara, haben eine Theorie formuliert, die vorhersagt, wie sich relativistische Teilchen durch Quark-Gluon-Plasma bewegen – jene dichte Flüssigkeit, die das Universum Mikrosekunden nach dem Urknall erfüllte. Die theoretische Neuerung löst eine jahrhundertealte Einschränkung der klassischen Physik, indem sie die Impulsänderungen von Teilchen berechnet, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Einsteins Fluiddynamik erweitern
Im Jahr 1905 formulierte Albert Einstein eine mathematische Erklärung für die Brownsche Bewegung – das zufällige Zittern von in Wasser suspendierten Pollenkörnern, das der Botaniker Robert Brown 1827 erstmals dokumentierte. Einstein, der damals als Patentprüfer arbeitete, zeigte, dass diese Bewegung mikroskopische Wechselwirkungen in einer Flüssigkeit widerspiegelt, bei der die Reibung die zufälligen Stöße umgebender Moleküle ausgleicht. Das Modell beschreibt zwar Standardflüssigkeiten und -gase erfolgreich, versagt jedoch bei relativistischen Teilchen, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, wie MIT News berichtet.
„Unser Ergebnis offenbart eine neue Informationsquelle, die schwere Quarks in seltenen, ungewöhnlich großen Änderungen ihrer Bewegung tragen.“
— Jean Du Plessis, MIT Center for Theoretical Physics
Seltene Impulsstöße berechnen
Um diese Lücke zu schließen, untersuchten die theoretischen Physiker Jean Du Plessis vom MIT Center for Theoretical Physics und Bruno Scheihing-Hitschfeld vom Kavli Institute for Theoretical Physics an der UCSB die Teilchendynamik unter extremen Energiezuständen erneut. Ihre in Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse stellen eine bemerkenswerte wissenschaftliche Neuerung dar: Sie berechnen die konkreten Kräfte, die auf schwere Quarks wirken, während diese hochenergetische Fluide durchqueren. Statt einer standardmäßigen glockenförmigen Wahrscheinlichkeitsverteilung zu folgen, erfahren schnell bewegte Teilchen in diesen Umgebungen seltene, ungewöhnlich große Verschiebungen ihrer Bewegung, die direkte Informationen über die subatomare Struktur des Mediums tragen.
Foto: MIT
Das frühe Universum in Beschleunigern nachbilden
Quark-Gluon-Plasma existierte auf natürliche Weise nur wenige Mikrosekunden nach dem Urknall im gesamten Raum, bei Temperaturen von mehr als einer Billion Grad. Heute erzeugen Experimentalphysiker Tropfen dieser Flüssigkeit von etwa der Größe eines Atomkerns an Einrichtungen wie dem Relativistic Heavy Ion Collider am Brookhaven National Laboratory. Indem sie Goldionen nahe der Lichtgeschwindigkeit aufeinanderschlagen lassen, registrieren Instrumente wie der STAR-Detektor die herausströmenden Trümmer. Die neue Formulierung ermöglicht es Forschern, Trajektoriendaten schwerer Quarks mit theoretischen Vorhersagen zu vergleichen, und schafft damit eine strukturierte Methode, um die mikroskopischen Eigenschaften der Materie in den frühesten Momenten des Universums zu bestimmen.
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Foto: MIT
