Ursprung des Universums: "Eher ein Durcheinander"

Forscher gehen heute mehrheitlich davon aus, dass das Universum vor rund 14 Milliarden Jahren in einer gewaltigen Explosion, dem sogenannten Urknall, entstanden ist. Was direkt danach passiert ist, können Forscher auch untersuchen. Am LHC des CERN in Genf ist es möglich, Bedingungen zu schaffen, die denen kurz nach dem Urknall ähneln. Zu diesem Zeitpunkt war es so heiß, dass normale Materie noch nicht existieren konnte. Stattdessen organisierte sich alle Materie in einem sogenannten Quark-Gluon-Plasma. Johanna Stachel von der Universität Heidelberg erforscht mit ihren Kollegen am CERN genau diesen Materiezustand und gewinn dabei Erkenntnisse über das frühe Universum. Die Physikerin war am Mittwochabend auf Einladung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien, um einen Vortrag mit dem Titel "Erforschung von Urknallmaterie an der Weltmaschine LHC" zu halten. Wir haben die Wissenschaftlerin vorab interviewt.

futurezone: Was ist das ziel ihrer Forschung?
Johanna Stachel: Wir wollen verstehen, wie das Universum kurze Zeit nach dem Urknall ausgesehen hat. Wir reden hier über eine Zeitspanne von Piko- bis Attosekunden nach dem Knall, bis zu Zehntelmillionstelsekunden. Damals gab es die Teilchen, aus denen normale Materie aufgebaut ist, also Atome, Protonen, Neutronen und so weiter, noch nicht. Stattdessen bewegten sich die Grundbausteine, aus denen diese Teilchen aufgebaut sind, die Quarks und Gluonen, frei. Das kann man sich wie geschmolzene normale Materie vorstellen, die dann durch die Abkühlung auskristallisiert ist zu Protonen, Neutronen, Atomkernen und anderen Materiebausteinen.

Wie wird dieser Zustand am LHC hergestellt?
Wir lassen möglichst schwere Atomkerne kollidieren, am LHC sind das Bleikerne. Dabei entsteht durch die Umwandlung von kinetischer Energie in Wärmeenergie eine Temperatur, die etwa dem 200.000-fachen der Temperatur im Inneren der Sonne entspricht.

Was davor passiert ist, wissen wir auch?
Das Universum ist im Urknall, der Singularität, entstanden. Seither dehnt es sich aus und kühlt dabei ab, auf heute 2,7 Grad Kelvin. Vor dem Quark-Gluon-Plasma gab es nach der Singularität eine Phase der schnellen Ausdehnung, die sogenannte Inflation, und den elektroschwachen Phasenübergang, bei dem Elektromagnetismus und schwache Kernkraft getrennt wurden. Das alles ist in extrem kurzer Zeit passiert, wenige Zehntelmillionstelsekunden nach dem Urknall gab es dann schon das Quark-Gluon-Plasma (QGP).

Können wir Spuren dieser Zeit auch direkt im Universum beobachten?
Es gibt keine direkten Spuren im Universum. Wir können aus der Expansion des Universums zurückrechnen und wissen, wann der Urknall stattgefunden hat. Aus der Häufigkeit der leichten Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium sowie deren Isotope können wir Rückschlüsse ziehen, weil diese Atomkerne sich in den ersten Sekunden und Minuten des Universums aus den Protonen und Neutronen gebildet haben, die aus dem Plasma auskristallisiert sind, sie kommen aus der frühen Phase des Universums. Der kosmische Mikrowellenhintergrund erlaubt auch einen Blick zurück, allerdings nur bis in eine Zeit 270.000 Jahre nach dem Urknall, als das Universum für Strahlung transparent wurde. Das Quark-Gluon-Plasma und seine Eigenschaften öffnen ein direktes Fenster zum Ursprung.

Was wissen wir über das QGP?
Die ursprüngliche Idee war, dass es sich um ein ideales Gas handeln könnte. Wir haben aber festgestellt, dass es im Labor beim drei- bis vierfachen der kritischen Temperatur immer noch ein stark gekoppeltes System ist. Wir können heute die Temperatur und Viskosität des QGP messen. Dabei zeigt sich, dass die Viskosität sich ähnlich verhält wie in ultrakalten Quantensystemen. Die kältesten und heißesten Systeme, die wir kennen, haben also etwas gemeinsam. Wir wissen auch, dass das QGP durch die hohe Temperatur sehr stark expandiert. Der Druck ist so hoch, dass es sich im Labor mit Dreiviertel der Lichtgeschwindigkeit ausdehnt.

Die Gas-Idee ist also tot?
Es gibt die Idee, dass bei noch viel höheren Temperaturen eine Entkoppelung eintritt und sich das System dann wie ein ideales Gas verhält.

Welche QGP-Volumina werden im Labor erzeugt?
Wir reden von fünf- bis zehntausend Kubikfemtometern, das sind etwa 10^-41 Kubikmeter. Das klingt nach wenig, aber darin stecken immerhin etwa 30.000 Quarks und Gluonen, die über ihre Farbladungen miteinander wechselwirken. Das ist eine ziemliche Suppe, die Teilchen bewegen sich auch auf makroskopischen Skalen, das heißt in diesem Zusammenhang über Strecken von mehr als einem Protonenradius.

Wie ist das Verhältnis zwischen Quarks und Gluonen?
Am LHC entstehen etwa zehn Mal mehr Gluonen als Quarks.

Ist ein QGP ein kohärenter Zustand, wie ein Bose-Einstein-Kondensat?
Das haben wir geprüft. Die Dichte unseres QGP ist hoch genug, dass das möglich wäre, aber wir sehen keine Anzeichen. Das QGP ist eher ein Durcheinander.

Ist das QGP ein Endpunkt für Materie oder könnte bei noch höheren Energien noch ein anderer Zustand warten?
Um vor den elektroschwachen Phasenübergang zu blicken, müssten wir genug Energie haben, um eine Temperatur von hunderten Gigaelektronenvolt zu erreichen. Das ist nicht machbar und vielleicht bleibt das auch so. Heute haben wir am LHC eine Energie und Temperatur von etwa 150 MeV, was wie gesagt schon dem 200.000-fachen der Temperatur im Inneren der Sonne entspricht. Die Energiedichte steigt mit der vierten Potenz der Temperatur, man bräuchte also wirklich gigantische Energiemengen.

Es gibt auch keine theoretischen Ideen, was dann passieren könnte?
Nein. Aber es gibt den Gedanken, ohne Erwärmung die Dichte zu erhöhen. Im Inneren von Neutronensternen könnte ein solches kaltes QGP entstehen. Das könnten wir aus der Zustandsgleichung, also Energie, Druck und Dichte, erkennen.

Wie würde diese Substanz aussehen?
Das kann ich mir leider nicht vorstellen. Wir werden das wenn überhaupt auch nur indirekt beweisen können.

Was sind die aktuell wichtigsten Fragen bei der Untersuchung des QGP?
Uns interessiert derzeit vor allem der Phasenübergang zu normaler Materie. Das untersuchen wir mit aufwändigen statistischen Verfahren, die Messungen sind sehr komplex. Der LHC wird in Kürze ein Update bekommen. Ab 2021 können wir dann deutlich höhere Intensitäten fahren, mit 50.000 Teilchenkollisionen pro Sekunde. Das sollte uns erlauben, auch Ereignisse zu beobachten, die uns heute ob ihrer Seltenheit noch entgehen.

Der Phasenübergang findet sehr schnell statt?
Im Labor kommen die Quarks und Gluonen gerade einmal zehn Femtometer weit. Danach ist alles vorbei.

Zu welchen Teilchen kondensiert das QGP?
Da kommen alle Hadronen, die wir kennen, heraus, auch Antimaterie ist dabei. In 70 Millionen Kollisionen haben wir zehn Anti-Alphateilchen entdeckt. Wenn man die Kondensationskette bis zum Ende verfolgt, bleiben Protonen, Neutronen und Atomkerne übrig. Welche Teilchen dazwischen entstehen, hängt nur von der Temperatur ab.

Entstehen auch unbekannte Teilchen?
Danach halten wir auch Ausschau. Wir konnten beispielsweise schon ausschließen, dass das von Theoretikern postulierte H-Dibaryon, das aus sechs Quarks bestehen sollte, existiert. Wir haben festgestellt, dass bei der vorhergesagten Temperatur keine entstehen. Nach Hyperkernen und Antihyperkernen, in denen mehrere Protonen oder Neutronen durch Lambda-Teilchen ersetzt werden, suchen wir noch.