Quarks hinterlassen eine „Spur“ in den Urozeanen des Universums: CMS und MIT liefern den klarsten Beweis dafür, dass sich Quark-Gluon-Plasma wie eine Flüssigkeit verhält
In den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall war das Universum nicht mit Atomen, Sternen oder gar Protonen und Neutronen gefüllt, sondern mit einer extrem heißen und dichten Mischung aus Quarks und Gluonen. Diese Phase, bekannt als Quark-Gluon-Plasma (QGP), gilt als die früheste Form der Materie: Sie existierte kurzzeitig, während sich das Universum abkühlte, und dann wurden die Quarks und Gluonen in Hadronen, den Bausteinen der heutigen Materie, „eingeschlossen“. Genau deshalb ist das QGP eine der wenigen Verbindungen zwischen der grundlegenden Teilchenphysik und der Kosmologie – dieselben Gesetze können im Labor getestet und dann in das Gesamtbild der Entwicklung der Struktur des Universums aus seinem Anfangszustand integriert werden.
Bleionen-Kollisionen als Fenster in das früheste Universum
Um dieses ursprüngliche „Rezept“ zu verstehen, lassen Physiker am CERN im Large Hadron Collider (LHC) schwere Ionen – meist Bleikerne – bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit kollidieren. Bei diesen Kollisionen entsteht für den Bruchteil eines Bruchteils einer Sekunde ein Tropfen QGP mit Temperaturen, die in Billionen Grad gemessen werden. Obwohl er nur extrem kurz existiert, bleiben Spuren seines Verhaltens in der Verteilung der Teilchen aufgezeichnet, die aus der Kollision herausgeschleudert und von Detektoren wie dem CMS (Compact Muon Solenoid) registriert werden. Die Analysen stützen sich darauf, dass die Statistik einer großen Anzahl von Kollisionen zusammen mit einer präzisen Rekonstruktion der Bahnen und Energien es ermöglicht, aus dem Rauschen der Ereignisse ein stabiles Muster zu isolieren – eine Art „Fotografie“ des exotischsten Materiezustands, den wir heute erzeugen können.
Langjährige Debatte: Teilchenstreuung oder kollektiver Fluss?
Eine der Schlüsselfragen in der Physik der starken Wechselwirkungen war, wie das QGP reagiert, wenn ein „hartes“ hochenergetisches Teilchen, beispielsweise ein bei der Kollision entstehendes Quark, hindurchfliegt. Wenn sich das QGP wie eine Gruppe lose verbundener Teilchen verhält, sollte der Durchgang des Quarks wie eine Reihe von zufälligen Kollisionen und Streuungen aussehen, ohne ein geordnetes Muster bei den „weichen“ Teilchen mit niedrigem Impuls. Wenn das QGP jedoch tatsächlich ein kollektives, fast „perfektes“ Fluid mit sehr geringer Viskosität ist, dann sollte der Durchgang des Quarks eine Reaktion auslösen, die einer Welle oder einem Nachlauf (Wake) ähnelt: Die Energie, die das Quark verliert, reißt das umgebende Medium mit und verwandelt sich in einen organisierten Fluss und Dichtestörungen, die sich wie Wellen im Wasser ausbreiten.
Genau diesen hydrodynamischen Nachlauf versuchen Physiker seit Jahren in den Daten zu erfassen, aber das Signal ging oft im Hintergrund anderer Prozesse verloren. Das Hauptproblem dabei war, dass Quarks typischerweise paarweise mit einem Antiteilchen entstehen: Wenn ein Jet in die eine Richtung geht, geht der andere in die entgegengesetzte Richtung, und ihre Spuren in einer komplexen Kollision können sich gegenseitig überlagern. Um einen „sauberen“ Fall eines einzelnen Jets und eines einzigen klaren Durchgangs durch das Medium zu erhalten, musste ein Ereignis gefunden werden, bei dem die Richtung des Quarks markiert werden konnte, ohne einen „Partner“ zu erzeugen, der das Bild beschatten würde.
Warum das Z-Boson entscheidend ist: „neutraler Marker“ ohne Einfluss auf das Medium
Ein internationales Team innerhalb der CMS-Kollaboration, in dem Physiker des MIT eine wichtige Rolle spielen, konzentrierte sich auf eine seltene, aber sehr saubere Signatur: Ereignisse, bei denen in derselben Kollision ein Z-Boson und ein hochenergetisches Quark erzeugt werden. Das Z-Boson ist ein neutrales Teilchen der schwachen Wechselwirkung, das das QGP praktisch ungehindert durchquert, ohne eine eigene „Welle“ zu hinterlassen. Dies macht es zu einem idealen „Tag“ (Marker), der anzeigt, wo im Ereignis der hochenergetische Quark-Jet entstanden ist, während es gleichzeitig das Bild des Mediums nicht trübt.
Die Logik ist einfach: Das Z-Boson und das Quark entstehen „Rücken an Rücken“ in entgegengesetzten Richtungen. Die Richtung des Z-Bosons liefert einen präzisen Vektor, nach dem das Koordinatensystem der Analyse definiert werden kann. Alles, was im QGP auf der gegenüberliegenden Seite passiert, wo das Quark und sein Jet hindurchgehen, kann in hohem Maße genau der Interaktion des Quarks mit dem Medium zugeschrieben werden. In der Praxis bedeutet dies, dass die Ladungs- und Energieverteilungen von Teilchen mit niedrigem Transversalimpuls im Verhältnis zum Winkel und der Pseudorapidität zum Z-Boson betrachtet und mit Referenzsituationen verglichen werden, in denen kein QGP vorhanden ist.
Von 13 Milliarden Kollisionen zu etwa 2000 „goldenen“ Ereignissen
Bei der Analyse der in Schwerionen-Kollisionen gesammelten Daten durchsuchte das CMS-Team etwa 13 Milliarden Ereignisse und identifizierte etwa 2000 Fälle mit einem Z-Boson, das die strengen Kriterien eines hohen Transversalimpulses im Bereich von 40 bis 350 GeV erfüllt. Die Analyse stützte sich auf PbPb-Kollisionsdaten aus dem Jahr 2018 bei einer Kollisionsenergie pro Nukleonenpaar von 5,02 TeV mit einer integrierten Luminosität von etwa 1,67 nb⁻¹ sowie auf vergleichende pp-Daten von 2017 bei derselben Energie (etwa 301 pb⁻¹). Nach der Auswahl der Ereignisse „übersetzten“ die Forscher jede Kollision in eine Karte der Verteilung von Teilchen mit niedrigem pT im Verhältnis zur Richtung des Z-Bosons und suchten nach Asymmetrien, die die Signatur der Reaktion des Mediums auf den Durchgang des Jets wären.
Das Ergebnis ist ein Muster, das Physiker als konsistente Modifikation der Verteilungen auf der dem Z-Boson gegenüberliegenden Seite beschreiben: Es treten gleichzeitig Verstärkungen und Abreicherungen in bestimmten Winkelbereichen auf, was dem Bild des „Mitreißens“ des Mediums und der Entstehung von Bereichen mit Teilchenmangel (Hole) und Teilchenüberschuss (Recoil) entspricht. In den am 9. Oktober 2024 veröffentlichten vorläufigen Ergebnissen des CMS wurde hervorgehoben, dass in PbPb-Kollisionen eine signifikante Änderung der Azimut- und Pseudorapiditätsverteilungen im Vergleich zur pp-Referenz zu sehen ist, und zwar genau im Bereich des niedrigen pT um 1–2 GeV. In der finalen, begutachteten Version, die als Brief in der Zeitschrift Physics Letters B veröffentlicht wurde, lag der Schwerpunkt auf der Interpretation: Die beobachteten Muster stimmen mit einem hydrodynamischen „Nachlauf“ überein, der entsteht, wenn ein Jet Energie aus dem Quark-Gluon-Plasma verbraucht und das Medium daraufhin kollektiv reagiert.
Was eine „Welle“ im Quark-Gluon-Plasma eigentlich bedeutet
In einer klassischen Flüssigkeit entsteht eine Welle, weil das Gleichgewicht gestört wird: Ein sich bewegender Körper verdrängt das umgebende Medium, wodurch Bereiche mit Dichteüberschuss und -mangel entstehen, und dann breitet sich die Störung aus und wird gedämpft. Im QGP ist das Bild quantenmechanisch und relativistisch, aber die Analogie ist nützlich: Ein Quark oder Jet verliert Energie und Impuls im Medium, und das QGP reagiert darauf mit kollektivem Fluss und Energieumverteilung in „weiche“ Teilchen mit niedrigem Impuls. Genau in diesem weichen Sektor – der traditionell schwer mit einem genau definierten „harten“ Teilchen zu verbinden ist – wird der Beweis gesucht, dass das Plasma nicht zufällig, sondern als Ganzes reagiert.
In der CMS-Arbeit selbst wird betont, dass die beobachteten Korrelationen mit den Erwartungen eines hydrodynamischen Nachlaufs übereinstimmen: Wenn ein Jet Energie aus dem Plasma „zieht“, bleibt dahinter ein Abreicherungsbereich zurück, während ein Teil des Mediums beschleunigt und in andere Richtungen „weggedrückt“ wird, wodurch ein Überschuss an Teilchen mit niedrigem pT bei charakteristischen Winkeln entsteht. In der Praxis sieht das wie ein komplexes Muster aus „Spritzern“ und „Wirbeln“ in den Verteilungen aus, aber die Kernbotschaft ist einfach: Die Reaktion ist nicht zufällig, sondern kollektiv und fluid. Mit anderen Worten: Das QGP verhält sich nicht wie eine verdünnte Teilchenwolke, sondern wie ein dichter Zustand, in dem sich Störungen durch das Medium ausbreiten und einen erkennbaren Abdruck hinterlassen.
Hybride Modelle und warum die Daten mit der Theorie übereinstimmen
Die Bedeutung der Ergebnisse liegt nicht nur darin, dass das Signal beobachtet wurde, sondern auch darin, dass es in eine direkte Beziehung zu theoretischen Vorhersagen gesetzt werden kann. In Beschreibungen des QGP werden heute oft zwei Welten kombiniert: eine Quantenbeschreibung der Jets (Partonenschauer), die bei einer harten Kollision entstehen, und eine hydrodynamische Beschreibung des Mediums, das sich wie eine Flüssigkeit verhält. Solche „hybriden“ Ansätze ermöglichen es, die aus dem Jet verlorene Energie nicht als verschwunden zu betrachten, sondern als etwas, das im kollektiven Fluss des QGP landet. In der arXiv-Version der Arbeit und im veröffentlichten Brief wird betont, dass die beobachteten Modifikationen mit den Erwartungen genau solcher Modelle kompatibel sind, die die gleichzeitige Existenz eines „Lochs“ in Richtung des Jets und einer „Antwort“ des Mediums durch die Verstärkung weicher Teilchen vorhersagen.
Physiker warnen dabei, dass es sich um den ersten Beweis in diesem spezifischen Messkanal handelt: Korrelationen des Z-Bosons mit weichen Hadronen in Schwerionen-Kollisionen. Die Stärke der Methode liegt darin, dass das Z-Boson als „stiller Zeuge“ des Ereignisses fungiert, sodass daraus die Richtung und Energie des durch das Plasma gegangenen Jets präziser rekonstruiert werden können, ohne zusätzliche Signalverunreinigung. Ein solcher Ansatz verringert die Mehrdeutigkeiten, die frühere Versuche der Paarung zweier gegenüberliegender Jets plagten, bei denen es schwierig war zu trennen, „wer wessen Spur beschattet hat“.
Warum dies für das Gesamtbild des frühen Universums wichtig ist
Während das QGP bereits seit längerem als Medium beschrieben wird, das sich wie eine fast „perfekte Flüssigkeit“ verhält, hat der Nachweis einer kollektiven Reaktion auf ein einzelnes hochenergetisches Teilchen zusätzliches Gewicht. Solche Messungen ermöglichen den Zugang zu den Transporteigenschaften des Plasmas: wie effizient es Energie und Impuls überträgt, wie schnell eine Störung gedämpft wird und wie die Energie in Raum und Zeit verteilt wird. Dies sind Parameter, die hinter Begriffen wie Viskosität und Diffusion stehen, und unter den extremen Bedingungen des QGP sind sie entscheidend für das Verständnis, wie „harte“ Prozesse (Jet-Entstehung) mit dem „weichen“ kollektiven Verhalten des Mediums verwoben sind.
Im weiteren Sinne ist dies auch ein Test für das Bild des frühen Universums. Laut den CERN-Übersichten zur Geschichte und zum Schwerionenprogramm dominierte das Quark-Gluon-Plasma das Universum weniger als zehn Mikrosekunden nach dem Urknall. In diesem Zeitraum war die Materie so heiß und dicht, dass Quarks und Gluonen nicht in Protonen und Neutronen gebunden sein konnten. Wenn sich das QGP damals tatsächlich wie eine Flüssigkeit verhielt, könnte seine kollektive Dynamik die Art und Weise beeinflusst haben, wie Energie und Dichte umverteilt wurden, während sich das Universum abkühlte und in die hadronische Phase überging. Die heutigen Messungen „rekonstruieren“ den kosmologischen Verlauf nicht direkt, aber sie testen direkt die Physik, die darin gewirkt haben muss.
Was folgt: Präziseres „Mapping“ des Nachlaufs im Plasma
Die Autoren betonen, dass die Methode mit dem Z-Boson die Tür zu systematischeren Analysen öffnet. Durch die Vergrößerung der Stichprobe und die Analyse verschiedener Klassen der Kollisionszentralität ist es möglich, die Geometrie und „Dicke“ des Mediums, durch das der Jet hindurchgeht, präziser zu bestimmen. Durch den Vergleich mit Simulationen wird man abschätzen können, wie schnell sich der Wake ausbreitet, wie lange er fortbesteht, bevor er im Teilchenrauschen „ebnet“, und wie er von der Energie und Art des ursprünglichen Partons abhängt. Praktisch gesehen ist dies der Weg zu einer präziseren Bestimmung der Eigenschaften des QGP auf eine Weise, die robust gegenüber experimentellen und theoretischen Unsicherheiten ist, da sie sich auf ein Teilchen (das Z-Boson) stützt, das extrem gut „kalibriert“ und wenig empfindlich auf das Medium ist.
Für das Publikum außerhalb des engen Fachkreises ist die wichtigste Botschaft klar: Im Labor zeigt sich immer überzeugender, dass die „Ursuppe“ des Universums tatsächlich eine Suppe war – ein Medium, das fließt und als Ganzes reagiert. Wenn ein Quark durch diesen in einer Bleikollision entstandenen Tropfen rast, kann es eine Spur hinterlassen, die sich wie eine Welle auf dem Wasser liest, nur in einem Maßstab, in dem Temperaturen, Dichten und Geschwindigkeiten außerhalb der Alltagserfahrung liegen und Schlussfolgerungen aus präzisen statistischen Mustern von Milliarden von Kollisionen gezogen werden.
Quellen:- Physics Letters B – frei zugänglicher Brief der CMS-Kollaboration über Z-Boson-Hadron-Korrelationen und Beweise für sondeninduzierte Energie und Medienreaktion (Link)
- arXiv – Preprint CMS-HIN-23-006 (arXiv:2507.09307) mit Beschreibung der Messung und Interpretation des hydrodynamischen Wake-Signals (Link)
- CMS Public Results – vorläufiges Ergebnis HIN-23-006 (9. Oktober 2024) und Zusammenfassung der beobachteten Modifikationen in PbPb-Kollisionen (Link)
- CERN – Übersicht „CERN70: Tasting the primordial soup“ über Quark-Gluon-Plasma und das frühe Universum (Link)
- U.S. Department of Energy – „The Big Questions: Barbara Jacak on the Quark-Gluon Plasma“ über Zweck und Methoden der Erzeugung von QGP im Labor (Link)
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Erstellungszeitpunkt: 2 Stunden zuvor