Wissenschaftler enthüllen die Geheimnisse der ersten Momente des Universums

Ihre Bemühungen konzentrierten sich auf die Kartierung der „Ursuppe“, die das Universum in der ersten Millionstelsekunde nach seiner Entstehung füllte.

Physiker der Eötvös-Loránd-Universität untersuchten die Bestandteile des Atomkerns mithilfe der drei fortschrittlichsten Teilchenbeschleuniger der Welt. Ziel ihrer Forschung ist es, die „Ursuppe“ zu erforschen, die im Universum in den ersten Mikrosekunden nach seiner Entstehung existierte. Interessanterweise deuten ihre Ergebnisse darauf hin, dass die beobachtete Partikelbewegung der Suche nach Beute mariner Raubtiere, Mustern des Klimawandels und Schwankungen an den Aktienmärkten ähnelt.

Unmittelbar nach dem Unfall die große ExplosionDie Temperaturen waren so extrem, dass weder Atomkerne noch Nukleonen, ihre Bausteine, existieren konnten. Daher war das Universum in diesem ersten Fall mit einer „Ursuppe“ aus Quarks und Gluonen gefüllt.

Als sich das Universum abkühlte, durchlief dieses Medium einen „Gefrierungsprozess“, der zur Bildung der heute bekannten Teilchen wie Protonen und Neutronen führte. Dieses Phänomen wird in viel kleinerem Maßstab in Teilchenbeschleunigerexperimenten nachgebildet, bei denen Kollisionen zwischen zwei Kernen winzige Tröpfchen aus Quarkmaterie erzeugen. Diese Tröpfchen verwandeln sich schließlich durch Gefrieren in reguläre Materie, eine Umwandlung, die den Forschern, die diese Experimente durchführen, bekannt ist.

Unterschiede in der Quarkmaterie

Allerdings unterscheiden sich die Eigenschaften der Quarkmaterie aufgrund von Druck- und Temperaturunterschieden, die aus der Kollisionsenergie in Teilchenbeschleunigern resultieren. Dieser Unterschied erfordert Messungen zum „Scannen“ von Materie an Teilchenbeschleunigern unterschiedlicher Energie, wie etwa dem Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in den Vereinigten Staaten oder dem Superproton Collider (SPS) und dem Large Hadron Collider (LHC) in der Schweiz.

„Dieser Aspekt ist so wichtig, dass überall auf der Welt, beispielsweise in Deutschland oder Japan, neue Beschleuniger speziell für solche Experimente entstehen.“ Phasenkarte.“ , erklärt Mati Chanad, Professor für Physik am Institut für Atomphysik der Eötvös Lorand Universität (ELTE).

Eine Montage rekonstruierter Spuren tatsächlicher Kollisionsereignisse und Fotos der beteiligten Detektoren im Brookhaven National Laboratory und am CERN. Quelle: Montage erstellt von Máté Csanád / Eötvös Loránd University Originalbilder der Montage: STAR und PHENIX: Brookhaven National Laboratory und CMS und NA61: CERN

Das langfristige Ziel der Forschung ist es, unser Verständnis der starken Wechselwirkung zu vertiefen, die Wechselwirkungen in Quark-Materie und in Atomkernen bestimmt. Unser derzeitiger Wissensstand auf diesem Gebiet kann mit dem Verständnis der Menschheit über Elektrizität in der Volta-, Maxwell- oder Faraday-Ära verglichen werden. Während sie eine Vorstellung von den Grundgleichungen hatten, war viel experimentelle und theoretische Arbeit erforderlich, um die Technologien zu entwickeln, die den Alltag tiefgreifend veränderten, von der Glühbirne über Fernseher, Telefone und Computer bis hin zum Internet. Ebenso befindet sich unser Verständnis der starken Wechselwirkung noch in einem frühen Stadium, weshalb die Erforschung und Kartierung dieser Wechselwirkung von entscheidender Bedeutung ist.

Innovationen in der Femtoskopie

ELTE-Forscher waren an Experimenten an jedem der oben genannten Beschleuniger beteiligt und ihre Arbeit in den letzten Jahren hat zu einem umfassenden Bild der Geometrie der Quark-Materie geführt. Dies gelang ihnen durch den Einsatz femtoskopischer Techniken. Diese Technik nutzt Korrelationen, die sich aus der nichtklassischen, quantenähnlichen Wellennatur der erzeugten Partikel ergeben und letztendlich die Femtometerstruktur des Mediums offenbaren, das die Quelle der Partikelemission ist.

Forscher der Eötvös-Universität arbeiten daran, Daten für das STAR-Experiment im Brookhaven National Laboratory zu sammeln. Bildnachweis: Máté Csanád / Eötvös-Loránd-Universität

„In früheren Jahrzehnten wurde die Femtokopie unter der Annahme durchgeführt, dass Quarkmaterie einer Normalverteilung folgt, also einer Gaußschen Form, die an vielen Orten in der Natur vorkommt“, erklärt Marton Nagy, einer der leitenden Forscher der Gruppe.

Ungarische Forscher haben sich jedoch dem Levy-Verfahren zugewandt, das auch in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen bekannt ist, als einen allgemeineren Rahmen, der die Suche nach Beute durch Meeresräuber, Börsenprozesse und sogar den Klimawandel gut beschreibt. Ein besonderes Merkmal dieser Prozesse ist, dass sie zu bestimmten Zeitpunkten sehr großen Schwankungen unterliegen (z. B. wenn ein Hai in einem neuen Gebiet nach Nahrung sucht) und in solchen Fällen eine Faserverteilung anstelle einer normalen (Gauß-)Verteilung auftreten kann.

Implikationen und Rolle von ELTE

Diese Forschung ist aus mehreren Gründen von großer Bedeutung. Erstens ist eines der am besten untersuchten Merkmale des Einfrierens von Quark-Materie in hadronischer Materie der femtoskopische Radius (in Anlehnung an den bekannten Hanbury-Brown- und Twyss-Effekt auch HBT-Radius genannt). In der Astronomie wird er aus femtoskopischen Messungen abgeleitet. Dieses Maß hängt jedoch von der angenommenen Geometrie des Mediums ab. Daniel Kinsis, ein Postdoktorand in der Gruppe, fasst zusammen: „Wenn die Gaußsche Annahme nicht optimal ist, können die genauesten Ergebnisse dieser Studien nur unter der Lévy-Annahme erzielt werden. Der Lévy-Exponentenwert, der die Lévy-Verteilung charakterisiert, kann dies tun.“ Sie geben auch Aufschluss über die Natur des Phasenübergangs und ermöglichen so durch seine Variation mit der Kollisionsenergie Einblicke in die verschiedenen Phasen der Quarkmaterie.

ELTE-Forscher sind aktiv an vier Experimenten beteiligt: ​​NA61/SHINE am SPS-Beschleuniger, PHENIX und STAR am RHIC und CMS am LHC. Die NA61/SHINE-Gruppe von ELTE wird von Yoshikazu Nagai geleitet, und die CMS-Gruppe wird von Gabriela Pastor geleitet; und die von Máté Csanád gegründeten RHIC-Gruppen, der auch die femtoskopische Forschung am ELTE koordiniert.

Diese Gruppen leisten in verschiedenen Funktionen, von der Reagenzienentwicklung bis hin zur Datenerfassung und -analyse, einen wesentlichen Beitrag zum Erfolg von Experimenten. Sie beteiligen sich auch an vielen theoretischen Projekten und Forschungen. „Das Einzigartige an unserer Femtoskopie-Forschung ist, dass sie in vier Experimenten an drei Teilchenbeschleunigern durchgeführt wird – was uns einen umfassenden Einblick in die Geometrie und mögliche Phasen der Quark-Materie ermöglicht“, sagt Matej Chanad.

Referenz: „Eine neue Methode zur Berechnung von Bose-Einstein-Korrelationsfunktionen mit Coulomb-Endzustandsinteraktion“ von Marton Nagy, Aleta Borza, Matej Csanad und Daniel Kinsis, 8. November 2023, European Physical Journal C.
doi: 10.1140/epjc/s10052-023-12161-y