Quark-Gluon-Plasmaphysik

Kernmaterie bei extremen Bedingungen, wie sie in Schwerionenstößen und vermutlich im Inneren von kompakten Sternen erreicht werden, löst sich in die sonst permanent eingesperrten Freiheitsgrade von Quarks und Gluonen auf, die durch die fundamentale Theorie der Quantenchromodynamik beschrieben werden. Neueste Ergebnisse, die am ultrarelativistischen Schwerionen-Collider RHIC in Brookhaven (USA) gewonnen wurden, deuten auf unerwartet starke kollektive Phänomene in diesem neuen Materiezustand hin, der zum Beispiel eine extrem niedrige Viskosität (im Verhältnis zur Entropiedichte) zu haben scheint, wie es noch in keinem physikalischen System beobachtet werden konnte. Weiters scheinen die Quarks und Gluonen unerklärlich schnell ins thermische Gleichgewicht zu kommen. In dem vergleichsweise kalten aber extrem dichten Zustand, in dem sich Quark-Gluon-Materie im Inneren von Neutronensternen befinden sollte, könnte sich dessen Existenz durch anomales Kühlverhalten der Neutronensterne äußern. Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung von Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasma in und außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts, speziell von sogenannten Nicht-Fermiflüssigkeits-Effekten in spezifischer Wärme und Neutrinoemissitivität hochentarteter Quarkmaterie sowie von chromo-magnetischen Plasmainstabilitäten in einem ultrarelativistisch heißen aber anisotropen Quark-Gluon-Plasma.

Das Projekt P19526 "Quark-Gluon-Plasmaphysik" hat neue Ergebnisse zur Dynamik subnuklearer Teilchen in einem neuartigen Materiezustand, nämlich dem Quark-Gluon-Plasma geliefert, das heutzutage in Kollisionen von Gold- oder Blei-Ionen in Hochenergiebeschleunigern produziert werden kann und von dem man annimmt, dass es das frühe Universum während der ersten paar Mikrosekunden nach dem Urknall zur Gänze ausgefüllt hat. Seit dem November 2010 kann dieses Quark-Gluon-Plasma am Large Hadron Collider LHC des CERN bei viel höheren Energien als vorher möglich untersucht werden, und die Ergebnisse dieses Projektes lassen darauf schließen, dass bei diesen Energien die Dynamik des Quark-Gluon-Plasmas in den ersten Yoktosekunden von Plasmainstabilitäten dominiert werden, wie man sie von herkömmlichen elektromagnetischen Plasmen kennt, die aber durch die Selbstwechselwirkungen der Gluonen stark modifiziert werden. Mit dem neuen Wiener Supercomputer VSC werden diese Quark-Gluon-Plasmainstabilitäten nun in extrem aufwändigen Simulationsrechnungen studiert und sollen durch Vergleich mit den Daten von Schwerionenexperimenten Rückschlüsse auf das Quark-Gluon-Plasma liefern. Eine vergleichsweise kalte aber ebenso dichte Form des Quark-Gluon-Plasmas könnte im Inneren von extrem dichten Sternen als Farbsupraleiter vorliegen, bei dem anstelle der elektrischen Ladung die Farbladungen von Quarks und Gluonen einen supraleitenden Zustand erzeugen. Die möglichen Ausformungen dieses Farbsupraleiters und die zugehörigen Materieeigenschaften wurden ebenfalls in diesem Projekt quantitativ analysiert.