Die Kerngedanken
- Physiker des MIT und der UCSB berechneten, wie sich der Impuls eines relativistischen schweren Quarks verändern könnte, während es ein Gas aus schwach wechselwirkenden Quarks und Gluonen durchquert.
- Die Berechnung sagt für kleine Stöße eine glockenförmige Verteilung voraus, für große Veränderungen hingegen eine höhere Häufigkeit und Asymmetrie.
- Der Vergleich mit Experimenten wird als möglicher Weg zur Untersuchung der mikroskopischen Struktur des Plasmas vorgeschlagen; die Quelle berichtet nicht über eine experimentelle Überprüfung der Vorhersage.
Eine Berechnung zur Untersuchung des primordialen Plasmas
Im ersten Sekundenbruchteil nach dem Big Bang existierte Materie als Quark-Gluon-Plasma bei einer Billion Grad. Dieses Teilchengemisch bestand einige Mikrosekunden lang, bevor sich seine Bestandteile zu stabileren Protonen und Neutronen verbanden. Um diese ursprüngliche Flüssigkeit zu untersuchen, erzeugen Wissenschaftler Quark-Gluon-Plasmen in Teilchenbeschleunigern: Bei Ionenkollisionen entstehen Tropfen von ungefähr der Größe eines Atomkerns, die nur einige zehn Septillionstel Sekunden bestehen. MIT
Eine Strategie besteht darin, schwere Teilchen zu verfolgen, die nicht zum Plasma gehören, es aber durchqueren. Ihre Bewegungsweise kann Aufschluss über die mikroskopische Struktur der Flüssigkeit geben. Die klassische Beschreibung der Brownschen Bewegung unverändert auf diese extremen Bedingungen zu übertragen, ist jedoch problematisch: Bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit erfasst der erwartete Zusammenhang zwischen dem Widerstand und den Fluktuationen der Flüssigkeit die Wechselwirkungen nicht vollständig.
Physiker des MIT und der University of California, Santa Barbara (UCSB) entwickelten eine Theorie, die vorhersagt, wie eine Flüssigkeit ein relativistisches Teilchen anschieben und abbremsen kann. Laut der MIT-Meldung schlagen die Forschenden vor, die Theorie auf schwere Quarks anzuwenden, die ein Quark-Gluon-Plasma durchqueren. Ihre Vorhersagen könnten mit Experimenten verglichen werden, um die mikroskopische Struktur des Plasmas zu charakterisieren; in der Meldung wird nicht berichtet, dass eine solche Überprüfung bereits stattgefunden hat. MIT
Von Brownschen Stößen zu relativistischen Veränderungen
1905 beschrieb Albert Einstein, wie die unregelmäßige Bewegung von Teilchen, die in einer Flüssigkeit schweben, Aufschluss über die mikroskopischen Kräfte in diesem Medium geben kann. In dieser Erklärung ergibt sich die Bewegung aus einem Gleichgewicht zwischen dem Widerstand, der das Teilchen abzubremsen versucht, und den zufälligen Stößen der Flüssigkeit. Die Wahrscheinlichkeit dieser Stöße wird durch eine glockenförmige Kurve dargestellt: Stöße mittlerer Stärke sind wahrscheinlicher, extreme Stöße weniger wahrscheinlich.
In der neuen Studie berechneten Jean Du Plessis vom Center for Theoretical Physics des MIT und Bruno Scheihing-Hitschfeld vom Kavli Institute for Theoretical Physics der UCSB die Kräfte, die auf ein schweres Quark einwirken würden, wenn es sich mit relativistischen Geschwindigkeiten durch eine Flüssigkeit bewegt. Dazu führten sie Berechnungen der starken Kernkraft durch, die Quarks und Gluonen zusammenhält. Als Ausgangspunkt wählten sie ein Gas aus schwach wechselwirkenden Quarks und Gluonen, weil die schwachen Wechselwirkungen die Berechnungen handhabbar machten.
Ausgehend von diesem Szenario berechneten sie, wie stark sich der Impuls des Quarks verändern könnte, und ermittelten eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für diese Veränderungen. Bei kleinen Stößen behält die Kurve eine ähnliche Glockenform bei. Ihre Enden sind hingegen ungleich: Große Stöße treten häufiger auf, als es die Brownsche Kurve erwarten ließe, und haben in entgegengesetzte Richtungen nicht dieselbe Wahrscheinlichkeit. Insbesondere ist ein großer Stoß, der das Quark stärker als durch den Widerstand erwartet abbremst, wahrscheinlicher als ein gleich großer Stoß, der es schneller als erwartet weiterfliegen lässt. MIT
| Aspekt | Übliches Brownsches Bild | Vorhersage für relativistische schwere Quarks |
|---|---|---|
| Kleine Veränderungen | Glockenförmige Verteilung | Ähnliche Glockenform |
| Große Stöße | An den Enden sehr selten | Häufiger, als die Glockenkurve vorhersagt |
| Richtung extremer Stöße | Die übliche Verteilung ist symmetrisch; die berechnete Verteilung zeigt die beschriebene Asymmetrie nicht | Ein Stoß, der das Quark stärker abbremst, ist wahrscheinlicher als ein gleich großer Stoß, der es stärker als erwartet beschleunigt |
Die Tabelle fasst die von MIT mitgeteilte theoretische Berechnung zusammen; sie stellt keine experimentell gemessene Verteilung dar. MIT
Eine Struktur, die neue Hinweise liefern könnte
Das Team wiederholte die Berechnung für Plasmen aus unterschiedlichen Teilchen und fand unabhängig von der betrachteten Zusammensetzung dieselbe geneigte Kurve. Eine ähnliche Struktur erkannten sie auch in einer früheren Berechnung eines stark gekoppelten Plasmas, trotz der Unterschiede in der mikroskopischen Physik. Du Plessis beschrieb dieses Muster als offenbar universell und erklärte, die Arbeit formalisiere es. Die Quelle stellt diese Ergebnisse als theoretische Berechnungen dar, nicht als unabhängige experimentelle Bestätigung. MIT
Der mögliche Nutzen des Ergebnisses hängt davon ab, wie sich schwere Quarks in Experimenten verhalten. Falls die Häufigkeit großer Veränderungen von der mikroskopischen Beschaffenheit des Plasmas abhängt, könnte ihre Messung zusätzliche Informationen über das Medium liefern. Die Autoren schlagen vor, ihre Vorhersagen mit Experimenten zu vergleichen, um das Plasma zu charakterisieren und zu untersuchen, welche Art von Flüssigkeit in den ersten Momenten des Universums existierte. Dieser Vergleich wird als künftige Möglichkeit dargestellt, nicht als bereits erzieltes Ergebnis.
Du Plessis deutet außerdem, dass das ursprüngliche Plasma möglicherweise eher einer Flüssigkeit als einem Gas ähnelte und stärker wechselwirkte, als das Brownsche Modell vermuten ließe. Die Meldung schreibt diese Interpretation dem Forscher zu; sie stellt sie nicht als direkte Beobachtung des primordialen Plasmas dar. MIT
Forschung und institutioneller Kontext
MIT berichtet, dass Du Plessis und Scheihing-Hitschfeld ihre Ergebnisse an diesem Tag in Physical Review Letters veröffentlichten. Die Forschung wurde teilweise vom Office of Nuclear Physics des Office of Science des US-Energieministeriums, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) und der Simons Foundation unterstützt. MIT
Als institutionellen Kontext gibt die NSF an, dass sie grundlegende und angewandte Forschung hauptsächlich durch Fördermittel unterstützt und darüber hinaus Kooperationen und wissenschaftliche Infrastruktur fördert. Diese Angaben beschreiben die allgemeine Rolle der Behörde, bestätigen die Studienergebnisse jedoch nicht unabhängig. NSF: Unterstützung der Forschung
Die NSF-Referenz zur Materialforschung beschreibt Programme, die sich darauf konzentrieren, Materialien, ihre Eigenschaften und mögliche Anwendungen zu verstehen. Sie enthält keine spezifischen Informationen zum Quark-Gluon-Plasma und bestätigt auch nicht die von MIT mitgeteilte Berechnung. NSF: Materialforschung
Was wir wissen und wo die Grenzen liegen
Das beschriebene Ergebnis ist theoretischer Natur und geht von einem Szenario schwach wechselwirkender Quarks und Gluonen aus, das gewählt wurde, um die Berechnungen handhabbar zu machen. Die Anwendung auf das Quark-Gluon-Plasma und der Vergleich mit Experimenten werden als Möglichkeiten dargestellt, nicht als bereits erzielte Ergebnisse. Die scheinbare Universalität stützt sich auf Berechnungen für verschiedene Plasmen und den Vergleich mit einer früheren Berechnung, nicht auf eine unabhängige experimentelle Bestätigung. Die NSF-Referenzen liefern institutionellen Kontext und überprüfen den Befund nicht.
Den Belegen folgen
Die Originalquellen zum Erkunden dieser Erklärung und ihrer Grenzen.
- Studien und Ergebnisse: Wie die NSF die Forschung unterstützt NSF
-
Wie die Forschung zu Materialien und ihren Ergebnissen organisiert ist
NSF
Institutionelle Referenz zum Kontext. Sie stellt keine unabhängige Bestätigung der Ergebnisse der Hauptquelle dar. - Die Struktur des Quark-Gluon-Plasmas bestimmen, der ersten Flüssigkeit des Universums MIT