25 Jahre RHIC: Teilchenphysik am Limit – jetzt folgt die letzte Runde
25 Jahre Teilchenkollisionen am RHIC – der Schwerionenbeschleuniger liefert in seiner letzten Runde Daten für künftige Forschung am EIC. Außerdem blicken wir zurück auf die wichtigsten Entdeckungen des Teilchenbeschleunigers.
Der Teilchenbeschleuniger RHIC wird 25 und dreht eine letzte Runde. Was wurde bisher dort entdeckt?
Foto: Kevin Coughlin/Brookhaven National Laboratory
Mit dem Start des letzten Betriebsjahrs des Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory beginnt das Finale eines außergewöhnlichen wissenschaftlichen Projekts. Seit dem Sommer 2000 ließ die Anlage Atomkerne – genauer gesagt Goldionen – mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen. Ziel: Die Erzeugung eines Zustands der Materie, wie er kurz nach dem Urknall existierte.
Nach 25 Jahren intensiver Forschung endet nun die aktive Laufzeit des RHIC. Doch die Auswirkungen seiner Experimente reichen weit in die Zukunft – insbesondere in Richtung des geplanten Electron-Ion Collider (EIC). Wir werfen aber auch einen Blick zurück und schauen uns die wichtigsten Meilensteine des Schwerionenbeschleunigers an.
Inhaltsverzeichnis
- Was macht der RHIC eigentlich?
- Quark-Gluon-Plasma: Eine fast perfekte Flüssigkeit
- RHIC als Türöffner für neue Technologien
- Letzter Lauf: Fokus auf Goldionen-Kollisionen
- STAR und sPHENIX: Zwei Detektoren, ein Ziel
- APEX-Experimente: Blick auf den Elektron-Ionen-Beschleuniger
- Die wichtigsten Entdeckungen in 25 Jahren RHIC
Was macht der RHIC eigentlich?
Der RHIC ist ein sogenannter Schwerionenbeschleuniger. Er beschleunigt schwere Atomkerne wie Goldionen auf enorme Energien – bis zu 200 Milliarden Elektronenvolt pro Kern. Diese Teilchen werden dann frontal aufeinander geschossen. Was dabei entsteht, interessiert die Kern- und Teilchenphysik weltweit: ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma (QGP).
Dabei handelt es sich um eine Materieform, die nur für Bruchteile von Sekunden existiert – eine Art „Ursuppe“, die aus den Bestandteilen von Protonen und Neutronen besteht: den Quarks und Gluonen. Diese Mischung war im jungen Universum allgegenwärtig, bevor sich stabile Teilchen und später Atome bildeten.
Quark-Gluon-Plasma: Eine fast perfekte Flüssigkeit
Was Forschende beim RHIC entdeckten, überraschte viele: Das Quark-Gluon-Plasma verhält sich nicht wie ein Gas, sondern eher wie eine Flüssigkeit – und zwar mit extrem niedriger Viskosität. Diese Flüssigkeit fließt fast ohne inneren Widerstand. Manche Physikerinnen und Physiker sprechen sogar von einer „perfekten Flüssigkeit“.
Sie folgt den Gesetzen der Hydrodynamik, obwohl sie aus Elementarteilchen besteht. Ein Detail, das fasziniert: Diese Flüssigkeit ist heißer als alles, was je im Labor erzeugt wurde – rund vier Billionen Grad Celsius, etwa 250.000-mal heißer als das Innere der Sonne. Mehr zu den wichtigsten Entdeckungen des RHIC finden Sie am Ende des Beitrags.
RHIC als Türöffner für neue Technologien
In den 25 Jahren seines Betriebs wurde der RHIC stetig verbessert. Neue Detektoren, präzisere Messsysteme und innovative Datenverarbeitung machten es möglich, das QGP immer detaillierter zu untersuchen.
Zentrale Bestandteile dieser Technologie werden künftig im EIC wiederverwendet – zum Beispiel die monolithischen aktiven Pixelsensoren (MAPS) zur Teilchennachverfolgung oder das Streaming-Datenerfassungssystem des sPHENIX-Detektors. Auch der sPHENIX-Kalorimeter – eine Art Teilchendetektor zur Energievermessung – wird in modifizierter Form im EIC eingesetzt.
Letzter Lauf: Fokus auf Goldionen-Kollisionen
Der aktuelle Lauf 25 konzentriert sich erneut auf Kollisionen zwischen Goldionen mit einer Energie von 200 GeV pro Nukleon. Diese Experimente sollen bis mindestens Anfang Juni andauern. Danach folgt eine kurze Sommerpause – der RHIC reagiert empfindlich auf die hohe Luftfeuchtigkeit.
Ziel ist es, weitere Milliarden Datenpunkte zu sammeln. Schon in den letzten beiden Jahren wurden 8 Milliarden Ereignisse aufgezeichnet. Nun sollen nochmals 10 Milliarden hinzukommen, um die Analyse des QGP weiter zu verfeinern. Dabei werden sogenannte Trigger eingesetzt – Systeme, die besonders interessante Kollisionen in Echtzeit erkennen.
STAR und sPHENIX: Zwei Detektoren, ein Ziel
Gleich zwei Detektoren begleiten die Experimente am RHIC:
- STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) ist seit Beginn aktiv und wurde mehrfach aufgerüstet. Seine Stärken liegen in der umfassenden Erfassung von Kollisionsergebnissen in unterschiedlichen Winkeln und Energiebereichen.
- sPHENIX ist seit 2023 voll einsatzbereit und fokussiert auf hochenergetische Teilchenjets sowie schwere Quarks – Teilchen, die früh im Kollisionsprozess entstehen und Hinweise auf die Entwicklung des QGP liefern.
„Jetzt tauchen wir tiefer in die detaillierte Untersuchung dieser Modifikationen ein und testen die theoretischen Beschreibungen des Energieverlusts im QGP“, sagte Megan Connors von der Georgia State University, Co-Sprecherin von sPHENIX.
APEX-Experimente: Blick auf den Elektron-Ionen-Beschleuniger
Parallel zu den physikalischen Kollisionen führen die Forschenden auch sogenannte APEX-Studien durch. Dabei handelt es sich um spezielle Experimente zur Beschleunigerphysik. Ziel ist es, die Leistungsfähigkeit künftiger Anlagen wie des EIC zu verbessern.
In kurzen, genau geplanten Zeitfenstern – etwa alle zwei Wochen für 15 Stunden – werden Fragen untersucht wie:
- Wie können Strahlen stabilisiert werden, während sie sich in einem bestimmten Winkel kreuzen?
- Wie lässt sich Streuung innerhalb der Teilchenstrahlen minimieren?
- Welche Geometrien und Magnetfeldkonfigurationen versprechen eine höhere Kollisionsrate?
Diese Erkenntnisse fließen direkt in die Konstruktion des EIC ein, der teilweise aus Komponenten des RHIC bestehen wird.
Die wichtigsten Entdeckungen in 25 Jahren RHIC
In einem Vierteljahrhundert Forschung hat der Relativistic Heavy Ion Collider unser Wissen über die fundamentalen Eigenschaften der Materie erweitert. Besonders im Fokus stand dabei das Quark-Gluon-Plasma (QGP) – ein Zustand, in dem Quarks und Gluonen, normalerweise fest in Protonen und Neutronen gebunden, frei beweglich werden. Solche Bedingungen herrschten vermutlich nur wenige Millionstel Sekunden nach dem Urknall. Die RHIC-Experimente ermöglichten es erstmals, diesen Zustand kontrolliert im Labor herzustellen – und dabei eine Reihe überraschender Phänomene zu beobachten.
Die perfekte Flüssigkeit
Eine der wichtigsten Erkenntnisse war die Entdeckung, dass das Quark-Gluon-Plasma keine gasförmige Struktur aufweist, wie ursprünglich erwartet, sondern sich wie eine extrem dichte Flüssigkeit verhält. Diese Flüssigkeit fließt mit nahezu keiner inneren Reibung – ein Verhalten, das Physikerinnen und Physiker als „nahezu perfekt“ bezeichnen. Die Viskosität, also der Widerstand gegen Fließen, liegt extrem niedrig und kommt dem theoretischen Minimum sehr nahe, das sich aus den Gesetzen der Quantenphysik ergibt. Das QGP des RHIC zählt damit zu den am besten untersuchten Beispielen einer relativistischen Flüssigkeit – ein Zustand, der sich durch hohe Energie und nahezu reibungsfreies Verhalten auszeichnet.
Die heißeste Materie im Universum
Ein weiterer Meilenstein war die Temperaturmessung des erzeugten Plasmas. Mit rund vier Billionen Grad Celsius gehört es zu den heißesten Zuständen, die je im Labor erzeugt wurden – etwa 250.000-mal heißer als das Zentrum unserer Sonne. Solche Temperaturen sind notwendig, um die starke Wechselwirkung, die Quarks und Gluonen in Protonen und Neutronen zusammenhält, zu überwinden. Erst dann können sich die Bestandteile der Kernmaterie für kurze Zeit frei entfalten. Die Temperatur wird dabei nicht direkt gemessen, sondern über die Energieverteilung der emittierten Teilchen rekonstruiert – ähnlich wie man an der Farbe glühenden Eisens auf dessen Hitze schließen kann.
Symmetriebrüche im Teilchenmeer
In der „Ursuppe“ des QGP bilden sich winzige Regionen – sogenannte Blasen – mit besonderen Eigenschaften. Einige davon verstoßen offenbar gegen fundamentale Symmetrien, die eigentlich das Verhalten von Quarks und Gluonen bestimmen. Dies sind erste Hinweise auf Symmetrieverletzungen, die in der Natur eine wichtige Rolle spielen, etwa beim Übergang von Materie zu Antimaterie im frühen Universum. Diese Experimente eröffnen eine neue Perspektive darauf, wie die heutige Materieverteilung im Kosmos entstanden sein könnte – und warum das Universum heute nicht aus gleichen Teilen Materie und Antimaterie besteht.
Exotische Antimaterie und die Grenzen des Machbaren
Ein weiteres bemerkenswertes Ergebnis des RHIC ist die Erzeugung des bisher schwersten bekannten Antimateriekerns. Dieser Kern enthält nicht nur Antiprotonen und Antineutronen, sondern auch ein sogenanntes Anti-Strange-Quark – eine exotische Variante der Materie, die unter natürlichen Bedingungen äußerst selten auftritt. Diese Entdeckung erweitert die bekannte „Karte“ der Atomkerne und ihrer Antimaterie-Gegenstücke. Darüber hinaus liefern solche Funde wichtige Hinweise für Modelle von extrem dichten Objekten wie Neutronensternen, in deren Innerem ebenfalls ungewöhnliche Zustände der Materie existieren könnten.
Eine Brücke zur Stringtheorie
Besonders interessant ist auch die Nähe zwischen den experimentellen Ergebnissen des RHIC und theoretischen Vorhersagen aus der Stringtheorie. Diese Theorie versucht, die fundamentalen Bausteine des Universums nicht als Punktteilchen, sondern als winzige, schwingende „Strings“ zu beschreiben – oft in einer Welt mit zehn oder mehr Dimensionen. Laut dieser Theorie gibt es eine fundamentale Untergrenze für die Viskosität einer Flüssigkeit, die sich relativistisch verhält. Die am RHIC beobachtete Quark-Gluon-Flüssigkeit liegt erstaunlich nahe an dieser Grenze. Diese Übereinstimmung liefert einen seltenen experimentellen Bezugspunkt für ein bisher sehr theoretisch geprägtes Feld.
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