Kollisionen zwischen Goldkernen haben ein unerwartetes Verhalten in Materie enthüllt, die auf extreme Dichten komprimiert wurde.
Das Experiment findet am RHIC-Beschleuniger in den USA statt. Dort werden Goldkerne beschleunigt und anschließend aufeinander geschossen. Für den Bruchteil einer Sekunde erzeugt der Zusammenstoß Materie, die weit dichter ist als die in einem gewöhnlichen Atomkern.
Kollision zwischen Goldionen, aufgenommen vom STAR-Detektor am RHIC. Die Linien stellen die Bahnen von Tausenden beim Zusammenstoß erzeugten Teilchen dar.
Quelle: Brookhaven National Laboratory / Wikimedia Commons — CC BY 2.0.
Die Forscher wollen verstehen, wie sich diese Materie in Abhängigkeit von ihrer Temperatur und Dichte verändert. Dazu variieren sie die Energie der Kollisionen.
Der STAR-Detektor zeichnet anschließend die Tausenden erzeugten Teilchen auf. Ihre Bewegung bewahrt Informationen über den sehr kurzlebigen Zustand, der unmittelbar nach der Kollision existierte. Die Forscher konzentrierten sich insbesondere auf die kleinen Schwankungen ihrer seitlichen Bewegung von einem Zusammenstoß zum nächsten.
Hier zeigt sich die Anomalie. Bei den zentralsten Kollisionen nehmen diese Schwankungen zwischen 3 und 5.2 GeV stark ab. Danach bleiben sie bis 7.7 GeV sehr gering, bevor sie bei höheren Energien wieder zunehmen. Das Signal weicht deutlich von einer regelmäßigen Entwicklung ab.
Von STAR gemessene Impulskorrelationen bei Gold-Gold-Kollisionen in Abhängigkeit von der Energie. Bei den niedrigsten untersuchten Energien zeigt sich ein Tiefpunkt.
Quelle: STAR Collaboration/Brookhaven National Laboratory.
Warum interessiert dieser Tiefpunkt die Physiker so sehr? Kernmaterie kann je nach Temperatur und Dichte in verschiedenen Zuständen existieren. Die Forscher vermuten, dass es einen „kritischen Punkt“ gibt, an dem sich die Art und Weise, wie ein Zustand in einen anderen übergeht, grundlegend ändert.
Nahe einem solchen Punkt könnte die Materie viel Energie aufnehmen, ohne dass sich ihre Temperatur stark verändert. Von Kollision zu Kollision sollten die Temperaturunterschiede daher abnehmen. Genau dem in dieser Situation erwarteten Verhalten entspricht die von STAR gemessene Senke.
Dieses Ergebnis reicht jedoch noch nicht aus, um die Entdeckung eines kritischen Punkts zu verkünden. Ein Kollisionsmodell, in dem dieses Phänomen fehlt, gibt das beobachtete Signal nicht korrekt wieder. Doch auch andere Mechanismen könnten eine vergleichbare Anomalie erzeugen, und mehrere Erklärungen bleiben weiterhin möglich.