Quark-Gluon-Plasma
Das Quark-Gluon-Plasma (Abkürzung QGP) ist ein Zustand der Materie, in dem das Confinement, der Quarks und Gluonen aufgehoben ist. Dieser Zustand ist gekennzeichnet durch ein quasi-freies Verhalten der Quarks und Gluonen bei hohen Temperaturen und/oder Baryondichten.Man nimmt an, dass das Universum in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall diesen Zustand durchlief. Im heutigen Universum existiert das QGP höchstens noch im Zentrum von Neutronensternen, wobei einige Theorien dort eine weitere Phase voraussagen, die sich durch Farbsupraleitung (engl. color superconductivity) auszeichnet.
Der Einsatz von Schwerionenbeschleunigern ermöglicht die Erforschung der QGP im Labor. Das SPS-Schwerionenprogramm am CERN hat erste Hinweise auf das QGP gefunden, konnte letzte Zweifel allerdings noch nicht ausrämen. Ihm Rahmen des RHIC-Programms am Brookhaven National Laboratory in den USA wurden in den letzten Jahren allerdings weitere Indizien gefunden, so dass der Beweis für die Existenz des QGP in absehbarer Zeit erwartet wird.
Die hohe Energiedichte beim Durchdringen der beiden Atomkerne läßt die Partonen sich quasi-frei bewegen. In diese Phase wechselwirken die Partonen (d.h. die Quarks und Gluonen) durch inelastische Stöße miteinander bis ein Gleichgewichtszustand eintritt. Dieser wird als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet. Aufgrund des inneren Drucks expandiert das Plasma und kühlt dabei ab. Wird die kritische Temperatur unterschritten beginnt die Hadronisierung der Partonen. Das chemische Gleichgewicht ist erreicht wenn die Temperatur des Hadrongases so gering ist, daß die Hadronen nicht mehr inelastisch miteinander wechselwirken und die Hadronverteilung sich somit nicht mehr ändert. Ändern sich auch die Impulse der Hadronen nicht mehr durch elastische Stöße, spricht man vom Zustand des thermischen Gleichgewichts.
Der Zustand des Deconfinements, d.h. der Existenz des QGP, ist zu kurzlebig, um direkt nachgewiesen werden zu können. Zudem sind die Vorhersagen direkter Signaturen wie der Energiedichte oder der Temperatur stark modellabhängig. Aus diesem Grund müssen indirekte Signaturen verwendet werden. Eine dieser Signaturen ist die Anreicherung von Strange (s)-Quarks. Die Temperatur ab der die Auflösung von Nukleonen und Hadronen in Quarks und Gluonen erwartet wird, entspricht etwa der zur Erzeugung eines -Paares benötigten Energie. Durch Fusion von Gluonen (g) im Plasma
werden Strangequarks produziert. Ein weiterer Grund für die vermehrte Produktion von s-Quarks ist die Belegung von Energiezuständen durch leichtere Quarks, so daß ab einem bestimmten Punkt die Erzeugung von -Paaren bevorzugt wird. Deren anschließende Hadronisierung führt zu einer Anreicherung Strangeness enthaltender Teilchen (wie z.B. dem -Meson) gegenüber hadronischen Reaktionen ohne Ausbildung eines QGP. Weitere Signaturen sind zum Beispiel die Unterdrückung relativ hochenergetischer Teilchen, die durch den hohen Energieverlust beim Durchqueren der QGP verursacht wird, oder das Aufbrechen oder Schmelzen schwerer Quarkonia wie dem oder dem . Ein Nachweis des QGP erfordert die Messung vieler verschiedener Signaturen und ein theoretisches Modell des QGP, das diese Signaturen erklären kann.