Neue Erkenntnisse zur Thermodynamik des Quark-Gluon-Plasmas

MAILAND / LONDON (IT BOLTWISE) – In der frühen Phase des Universums, kurz nach dem Urknall, existierte ein Zustand, in dem Quarks und Gluonen frei umherstreiften, bevor sie sich zu Hadronen wie Protonen und Neutronen verbanden. Diese Phase, bekannt als Quark-Gluon-Plasma, war nur von kurzer Dauer, bis die Temperatur auf etwa 20 Billionen Kelvin sank und die Hadronisierung einsetzte.

Eine Forschergruppe aus Italien hat nun neue Berechnungen zur Zustandsgleichung des Quark-Gluon-Plasmas vorgestellt, die die Bedeutung der starken Wechselwirkung vor der Bildung von Hadronen verdeutlichen. Ihre Arbeit wurde in den Physical Review Letters veröffentlicht. Die Zustandsgleichung der Quantenchromodynamik (QCD) beschreibt das kollektive Verhalten von Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen – ein Gas von stark wechselwirkenden Teilchen im Gleichgewicht, dessen Anzahl und Nettoenergie unverändert bleiben.

Im Gegensatz zur einfachen Zustandsgleichung von Atomen in einem Gas, PV=nRT, lässt sich die QCD-Zustandsgleichung nicht so einfach zusammenfassen. Ähnlich wie ein klassisches Gas hat eine Sammlung von QCD-Teilchen im Gleichgewicht eine Temperatur, einen Druck, eine Energiedichte und eine Entropiedichte und kann Phasenübergänge durchlaufen. Die ersten wichtigen Phasenübergänge sind der elektroschwache Phasenübergang, der etwa 10^-12 Sekunden nach dem Urknall bei einer Temperatur von etwa 10^15 Kelvin auftritt, und der QCD-Phasenübergang, bei dem die Hadronisierung stattfindet.

Der QCD-Phasenübergang markiert den Punkt, an dem sich Quarks und Gluonen im Quark-Gluon-Plasma zu Protonen, Neutronen und Mesonen trennen, etwa eine Mikrosekunde nach dem Urknall, bei einer Temperatur von 10^12 K. Zwischen diesen Phasenübergängen liegt die Quark-Gluon-Plasma-Phase, die etwa eine Mikrosekunde dauert und erstmals im Jahr 2000 vom SPS Heavy Ion Program am CERN nachgewiesen wurde.

Die Forscher der Universität Milano-Bicocca und des Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN) in Italien haben mithilfe von Gitter-QCD die Zustandsgleichung der QCD von einer Temperatur von 3 GeV bis zum elektroschwachen Übergang bestimmt. Sie konzentrierten sich auf ein stark wechselwirkendes System masseloser Quarks, bei dem der Großteil ihrer Masse in den sie umgebenden Gluonfeldern gebunden ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die starke Wechselwirkung in der frühen Phase des Universums eine größere Rolle spielte als bisher angenommen.

Die Forscher verwendeten eine neue Berechnungsstrategie, die auf Monte-Carlo-Simulationen basiert, um Gitter-QCD von niedrigen bis sehr hohen Temperaturen zu untersuchen. Die numerischen Ergebnisse wurden durch zufällige Stichproben gewonnen. Die Zustandsgleichung für die Entropiedichte eines Quark-Gluon-Plasmas wurde als siebter Ordnung Polynom des starken Wechselwirkungskonstanten ausgedrückt, die selbst eine Funktion der Temperatur ist.

Die Forscher betonen, dass die Gitterartefakte relativ mild ausfallen, was eine große Verbesserung gegenüber früheren Simulationen des Quark-Gluon-Plasmas darstellt, die auf Temperaturen unter 1 GeV beschränkt waren. Die Berechnungen der Entropiedichte ermöglichten es, den Druck und die Energiedichte durch Standardthermodynamik zu bestimmen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die starke Wechselwirkung früher nach dem Urknall einflussreicher war als bisher angenommen.

Um die Ergebnisse weiter zu verbessern, benötigen die Forscher schnellere Computer oder mehr Rechenzeit. Die numerischen Ergebnisse können in Zukunft durch den Einsatz zusätzlicher Rechenressourcen systematisch verbessert werden.

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