WUPPERTALER UNIMAGAZIN
Nr. 34 - Wintersemester 2006/2007
Sekunden nach dem Urknall
Spektakuläre Ergebnisse von Wuppertaler Physikern
in „Nature“ dargestellt/
US-Nobelpreisträger stellt die Arbeit seiner Kollegen um Prof. Zoltán
Fodor heraus
Das Alter des Universums wird auf etwa 13,7 Milliarden Jahre geschätzt. Trotz dieser enormen Zeitspanne schauen Astrophysiker gerne auf die ereignisreichen, allerersten Sekunden nach dem Urknall. Wie deutsche und ungarische Teilchenphysiker jetzt in der Zeitschrift Nature berichten, vereinigten sich freie Quarks und Gluonen beim Abkühlen zwar schnell zu Protonen und Neutronen. Die Forscher wollen aber nicht mehr von einem "plötzlichen Phasensprung" sprechen. Wissenschaftler der Bergischen Universität mit Prof. Dr. Zoltán Fodor an der Spitze haben zu dieser hochspannenden Thematik jetzt in der renommiertesten wissenschaftlichen Zeitschrift Nature spektakuläre Ergebnisse veröffentlicht. Die Bedeutung der Resultate wird dadurch unterstrichen, dass Frank Wilczek, Professor am Massachussets Institute of Technology (MIT) und Nobelpreisträger für Physik von 2004, in der gleichen Ausgabe der Zeitschrift in einem separaten Beitrag die Wuppertaler Ergebnisse würdigt.
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Prof. Dr. Zoltán Fodor, hier mit Rektor Prof. Dr. Volker Ronge. |
Seit Jahrzehnten ist es weder theoretisch noch experimentell bekannt, ob der Übergang zwischen den zwei Phasen der starken Wechselwirkung ein echter Phasenübergang oder ein glatter, analytischer Übergang ist. Die Antwort auf dieser Frage hat auf der einen Seite enorme kosmologische Konsequenzen (Big Bang), auf der anderen Seite schafft sie Klarheit für laufende so genannte Schwerionexperimente, die auf der Erde den Big Bang experimentell nachzumachen versuchen (Little Bang). Das heute wichtigste Experiment wird im Brookhaven National Laboratory in der Nähe von New York durchgeführt.
"Unsere Analyse zeigt, dass der Übergang im frühen, heißen Universum nicht wirklich ein Phasenübergang war", schreiben Prof. Fodor und seine Kollegen von der Eötvos Universität in Budapest. Die Theorie der Quantenchromodynamik, die die starke Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen in den Kernpartikeln wie Neutron oder Proton beschreibt, erlaubte bisher reichlich Spielraum für diese Frühphase nach dem Urknall. Die starke Wechselwirkung ist verantwortlich dafür, dass die Sonne enorme Energien ausstrahlt, obwohl die starken Kräfte in der Sonne nur in abgeschwächter Form existieren. Die Kräfte sind so stark, dass die drei Quarks, aus denen ein Proton zusammengesetzt ist, nicht freigesetzt werden können. Erst bei extrem hohen Temperaturen, etwa bei zehntausend Milliarden Grad Celsius (!!!) können sich die Quarks frei bewegen.
Der Übergang zwischen den zwei Phasen kann ähnlich wie beim Wasser kochen sein, wo es am Siedepunkt (100 Grad Celsius) zwei Phasen, nämlich Wasser und Dampf, gleichzeitig gibt. Eine andere Möglichkeit ist, dass der Übergang etwas langsamer und stetig stattfindet. Die Wuppertaler Wissenschaftler haben gezeigt, dass in der Natur die zweite Möglichkeit realisiert wird.
Bisher hatten viele Teilchen- und Astrophysiker den abrupten Phasenwechsel erster Ordnung favorisiert. Doch jetzt scheint, dass die Kondensation der Quarks eher schleichend abgelaufen ist. So schlüssig die Resultate der Physiker sind, sie beinhalten auch einen Wermutstropfen: "Es wird schwierig sein, experimentelle Hinweise für diesen Übergang aus astronomischen Beobachtungen zu gewinnen", schreiben Prof. Fodor und Kollegen in Nature.
Der 2007 in Betrieb gehende Large Hadron Collider am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf soll die kosmische Frühphase mit freien Quarks und Gluonen in Grenzen genauer nachstellen können. Erwartet wird eine dramatische Konfrontation von Theorie und Experiment zur Frage, was während der allerersten Sekunden nach dem Urknall wirklich geschah.
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Arbeit mit
ALiCENext: Dr. Christian Hölbling, wissenschaftlicher Mitarbeiter von
Prof. Dr. |
Prof. Fodor berichtet: "Die theoretischen Rechnungen waren äußerst kompliziert, und konnten nur mit Hilfe von Superrechnern durchgeführt werden. Diese Rechnung war die größte Anwendung des Wuppertaler Computerclusters ALiCENext, der jahrelang leistungsstärkster Universitätsrechner Deutschlands war!"
Da die Wuppertaler Wissenschaftler neben der Ordnung
des Übergangs dessen Übergangstemperatur bestimmten, haben sie damit nicht
nur eine lange kosmologische Debatte zum Ende geführt, sondern neue
Horizonte in der experimentellen
Hochenergiephysik/Schwerionenpysik eröffnet.
www.theorie.physik.uni-wuppertal.de/TheoTeilchenphysik/index.php
www.elte.hu/en/index.html
www.alicenext.uni-wuppertal.de/
Kontakt:
Prof. Dr. Zoltán Fodor
Telefon 0202/439-2614
E-Mail
fodor@physik.uni-wuppertal