Die Suche nach einer mysteriösen Form von Materie, die aus Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie vorhergesagt wurde, wird enger. Nach mehr als einem Jahrzehnt der Suche glauben Wissenschaftler des weltweit größten Partikelkolliders, dass sie kurz davor stehen, ihn zu finden.
Aber die Forscher suchen nicht in den explodierten Eingeweiden von Partikeln, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zusammengeschlagen wurden.
Stattdessen suchen Physiker am Large Hadron Collider (LHC), einem 27 Kilometer langen Ring, der nahe der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz unter der Erde vergraben ist, nach der fehlenden Materie, die als Farbglaskondensat bezeichnet wird, indem sie untersuchen, was bei Partikeln passiert kollidieren Sie nicht, sondern zoomen Sie in Beinaheunfällen aneinander vorbei.
Im Standardmodell der Physik, der Theorie, die den Zoo subatomarer Teilchen beschreibt, werden 98% der sichtbaren Materie im Universum von fundamentalen Teilchen zusammengehalten, die Gluonen genannt werden. Diese treffend benannten Teilchen sind für die Kraft verantwortlich, die Quarks zu Protonen und Neutronen zusammenklebt. Wenn Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, tritt ein seltsames Phänomen auf: Die Konzentration der Gluonen in ihnen steigt sprunghaft an.
"In diesen Fällen spalten sich Gluonen in Paare von Gluonen mit niedrigeren Energien auf, und solche Gluonen spalten sich anschließend und so weiter", sagte Daniel Tapia Takaki, Associate Professor für Physik und Astronomie an der Universität von Kansas, in einer Erklärung. "Irgendwann erreicht die Aufspaltung von Gluonen innerhalb des Protons eine Grenze, an der die Vermehrung von Gluonen nicht mehr zunimmt. Ein solcher Zustand ist als Farbglaskondensat bekannt, eine hypothetische Phase der Materie, von der angenommen wird, dass sie in sehr hohen Mengen existiert. Energieprotonen sowie in schweren Kernen. "
Laut dem Brookhaven National Laboratory könnte das Kondensat viele ungelöste Rätsel der Physik erklären, beispielsweise wie Partikel bei Kollisionen mit hoher Energie gebildet werden oder wie Materie innerhalb von Partikeln verteilt wird. Die Bestätigung seiner Existenz ist Wissenschaftlern jedoch seit Jahrzehnten entgangen. Im Jahr 2000 fanden Physiker von Brookhavens Relativistic Heavy Ion Collider die ersten Anzeichen dafür, dass das Farbglaskondensat existieren könnte.
Als das Labor Goldatome zerschmetterte, die von ihren Elektronen befreit waren, fanden sie ein seltsames Signal in den Partikeln, die aus den Kollisionen strömten, was darauf hindeutete, dass die Protonen der Atome mit Gluonen überfüllt waren und anfingen, das Farbglaskondensat zu bilden. Weitere Experimente mit kollidierenden Schwerionen am LHC hatten ähnliche Ergebnisse. Kollidierende Protonen mit relativistischen Geschwindigkeiten können jedoch nur einen flüchtigen Einblick in die Innereien der Protonen geben, bevor die subatomaren Teilchen heftig explodieren. Das Untersuchen der Innenseiten von Protonen erfolgt sanfter.
Wenn geladene Teilchen wie Protonen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, erzeugen sie starke elektromagnetische Felder und setzen Energie in Form von Photonen oder Lichtteilchen frei. (Dank der dualen Natur des Lichts ist es auch eine Welle.) Diese Energielecks wurden einst als unerwünschte Nebenwirkung von Teilchenbeschleunigern abgetan, aber die Physiker haben neue Wege kennengelernt, um diese hochenergetischen Photonen zu ihrem Vorteil zu nutzen.
Wenn Protonen im Beschleuniger aneinander vorbeirauschen, kann der von ihnen freigesetzte Photonensturm Proton-auf-Photon-Kollisionen verursachen. Diese sogenannten ultra-peripheren Kollisionen sind der Schlüssel zum Verständnis des Innenlebens hochenergetischer Protonen.
"Wenn eine hochenergetische Lichtwelle auf ein Proton trifft, produziert sie Partikel - alle Arten von Partikeln - ohne das Proton zu brechen", sagte Tapia Takaki in einer Erklärung. "Diese Partikel werden von unserem Detektor aufgezeichnet und ermöglichen es uns, ein beispiellos hochwertiges Bild des Inneren zu rekonstruieren."
Tapia Takaki und eine internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern verwenden diese Methode nun, um das schwer fassbare Farbglaskondensat aufzuspüren. Die Forscher veröffentlichten frühe Ergebnisse ihrer Studie in der August-Ausgabe des European Physical Journal C. Zum ersten Mal konnte das Team indirekt die Dichte von Gluonen bei vier verschiedenen Energieniveaus messen. Auf höchster Ebene fanden sie Hinweise darauf, dass sich gerade ein Farbglaskondensat zu bilden begann.
Die experimentellen Ergebnisse "... sind sehr aufregend und geben neue Informationen über die Gluondynamik im Proton, aber es gibt viele theoretische Fragen, die nicht beantwortet wurden", sagte Victor Goncalves, Professor für Physik an der Federal University of Pelotas in Brasilien und a Mitautor der Studie, sagte in der Erklärung.
Die Existenz von Farbglaskondensat bleibt vorerst ein schwer fassbares Rätsel.
