Anzeichen für Quark-Materie in hochenergetischen Kollisionen

Jahrbuch 2003/2004 | Eckardt, Volker; Putschke, Jörn; Schmitz, Norbert; Seyboth, Janet; Seyboth, Peter;
Simon, Frank | Anzeichen für Quark-Materie in hochenergetischen Kollisionen schw erer Atomkerne
Anzeichen für Quark-Materie in hochenergetischen Kollisionen
schwerer Atomkerne
Evidence for Quark Matter in High-Energy Collisions of Heavy Atomic
Nuclei
Eckardt, Volker; Putschke, Jörn; Schmitz, Norbert; Seyboth, Janet; Seyboth, Peter; Simon, Frank
Max-Planck-Institut für Physik, München
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Die Energie und Materie des Weltalls, aber auch Raum und Zeit selbst, sind - so sagt das heutige
Kosmologische Standardmodell - vor ca. 14 Milliarden Jahren in einem gew altigen Urknall entstanden. Kurze
Zeit danach bestand die hadronische Materie aus einem extrem heißen und dichten Gas quasifreier Quarks
und Gluonen auf kleinstem Raum. Diesen ungew öhnlichen Materiezustand - Quark-Gluon-Plasma genannt versucht man heute in hochenergetischen Kollisionen schw erer Atomkerne an großen Teilchenbeschleunigern
künstlich herzustellen und zu erforschen.
Summary
The energy and matter of the Universe, but also space and time themselves, have originated - according to
the present Cosmological Standard Model - in a gigantic Big Bang some 14 billion years ago. Immediately after
the Bang, the hadronic matter consisted of an extremely hot and dense gas of quasi-free quarks and gluons the so called Quark Gluon Plasma - in a tiny space volume. Today, physicists are trying to artificially create and
explore this unusual state of matter in high-energy collisions of heavy atomic nuclei w ith large particle
accelerators.
An zw eien dieser Experimente, in Genf und in Brookhaven, ist eine experimentelle Gruppe des Max-PlanckInstituts für Physik maßgeblich beteiligt. Beide Experimente haben bisher Ergebnisse geliefert, die auf die
kurzzeitige Erzeugung des Quark-Gluon-Plasmas hindeuten.
Grundlagen
Seit Jahren w erden in einem umfangreichen Forschungsprogramm am Super-Proton-Synchrotron (SPS) des
Europäischen Laboratoriums für Teilchenphysik (CERN) in Genf und am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)
des Brookhaven National Laboratory (BNL) auf Long Island (USA) in großen internationalen Kollaborationen
Experimente zur hochenergetischen Schw er-Ionen-Physik durchgeführt. In ihnen w erden schw ere Atomkerne
(Ionen) auf fast Lichtgeschw indigkeit beschleunigt und bei den höchsten zurzeit mit Teilchenbeschleunigern
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erreichbaren Energien aufeinander geschossen. In einer solchen Kollision zw eier Kerne entsteht für kurze Zeit
(~10 -23 s) innerhalb eines kleinen Volumens von der ungefähren Größe eines schw eren Atomkerns (Radius
~10 -12 cm) heiße, hoch verdichtete Materie - anschaulich "Feuerball" genannt -, w ie sie in unserer normalen
Umgebung nicht anzutreffen ist. Ziel dieser Experimente ist es, Kernmaterie unter diesen extremen
Bedingungen von Temperatur und Dichte zu erforschen und insbesondere einen neuen, bisher nicht
beobachtbaren Materiezustand - Quark-Gluon-Plasma genannt (siehe unten) - zu entdecken und seine
Eigenschaften zu untersuchen. Im Zusammenhang damit gilt es, den räumlichen und zeitlichen Ablauf von
hochenergetischen Kern-Kern-Kollisionen kennen zu lernen. An zw eien dieser Experimente, dem NA49Experiment am SPS und dem STAR-Experiment am RHIC, ist eine Gruppe der Abteilung Experimentalphysik des
MPI für Physik maßgeblich beteiligt.
W ie läuft eine hochenergetische Kollision zw eier schw erer Kerne im einzelnen ab? Nähere Vorhersagen
hierüber
macht
das
so
genannte
Standardmodell
der
Teilchenphysik,
das
die
Eigenschaften
der
Elementarteilchen, der kleinsten Bausteine der Materie, und die zw ischen ihnen w irkenden Kräfte in
exzellenter Übereinstimmung mit den experimentellen Messungen im Detail beschreibt. Bekanntlich sind
Atomkerne (Kernmaterie) aus Protonen und Neutronen (Nukleonen) zusammengesetzt, die gemeinsam mit
anderen Baryonen und den Mesonen die große Teilchenfamilie der Hadronen bilden. Die Hadronen ihrerseits
bestehen aus punktförmigen Quarks, Antiquarks und Gluonen - zusammen Partonen genannt. Dabei w erden
die (Anti-)Quarks z.B. in einem Nukleon durch so genannte "Farbkräfte" zusammengehalten, die von den
Gluonen ("Leimteilchen") übertragen w erden und nach der Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) so
beschaffen sind, dass freie, ungebundene (Anti-)Quarks in der normalen Materie nicht auftreten. Diese
"Einkerkerung" der (Anti-)Quarks in einem Nukleon (Hadron) w ird "Confinement" genannt.
W ird Kernmaterie jedoch - z.B. in einer hochenergetischen zentralen Kern-Kern-Kollision (A+A-Kollision) extrem stark komprimiert und erhitzt, so sollte nach der QCD-Theorie bei einer kritischen Temperatur und
Teilchendichte ein Phasenübergang von hadronischer Materie zu partonischer Materie stattfinden (vergleichbar
mit dem Übergang des schmelzenden Wassers (Eises) vom festen in den flüssigen Zustand): Das Confinement
der Quarks w ird aufgehoben - ein Vorgang, der "Deconfinement" genannt w ird -, sodass die Nukleonen ihre
individuelle Stabilität verlieren, sich auflösen ("schmelzen") und so ein dichtes, heißes Plasma aus quasi-freien
(Anti-)Quarks und Gluonen, ein Quark-Gluon-Plasma (QGP) entsteht. In ihm finden zahlreiche verschiedene
Reaktionen
der
Partonen
miteinander
statt,
sodass,
falls
das
QGP
lange
genug
existiert,
ein
thermodynamisches Gleichgew icht der verschiedenen Freiheitsgrade (z.B. der verschiedenen Quarkarten)
eintreten kann. Ein solcher QGP-Zustand der Materie kommt auf der Erde unter normalen Bedingungen nicht
vor. Wohl aber ist es nach der modernen Kosmologie derjenige Zustand, in dem sich unmittelbar nach dem
Urknall für kurze Zeit (einige 10 -6 s) das ganze Universum befunden hat, als es noch sehr klein, heiß und dicht
w ar.
Nach seiner Entstehung dehnt sich der QGP-Feuerball infolge seines inneren Drucks w ieder aus und kühlt sich
dabei ab; es findet ein umgekehrter Phasenübergang statt, in dem die Partonen in zahlreiche Hadronen
"ausfrieren" (hadronisieren); dieses sich w eiter ausdehnende und abkühlende Hadronengas löst sich
schließlich in eine Vielzahl (bei RHIC-Energien mehrere Tausend, siehe Abb. 1) neu erzeugter, frei auseinander
fliegender Teilchen auf - hauptsächlich Mesonen (z.B. Pionen, Kaonen) -, deren Masse und Energie aus der
ursprünglichen Energie der kollidierenden Kerne stammt und die in großen Teilchendetektoren nachgew iesen
und vermessen w erden können.
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Ansicht e ine s von de r große n STAR -TP C (Tim e P roje ction
C ha m be r, Erlä ute rung im Te x t) re gistrie rte n ze ntra le n GoldGold-Ere ignisse s be i de r höchste n R HIC -Ene rgie (√s NN = 200
Ge V). Zu se he n sind die za hlre iche n a uf e ine Ebe ne se nk re cht
zur Stra hlrichtung projizie rte n, von de r TP C ge m e sse ne n und
von e ine m C om pute r re k onstruie rte n Spure n de r in de r
Kollision e rze ugte n ge la de ne n Te ilche n. Die zwölf pra k tisch
spurfre ie n R a die n k om m e n durch spur-une m pfindliche
Be re iche de r TP C zusta nde .
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Die schw ierige Aufgabe eines Experiments besteht nun darin, durch die physikalische Analyse der Messungen
möglichst vieler Kollisionsereignisse die verschiedenen theoretischen Vorstellungen zu überprüfen, d.h. zum
Beispiel, zurückzuschließen auf den Anfangszustand des bei der Kollision entstandenen Feuerballs - w ird ein
QGP gebildet oder nicht? - und auf seine w eitere Entw icklung in Raum und Zeit.
Das NA49-Experiment
Im NA49-Experiment am CERN-SPS w urde u.a. ein Strahl von Blei (Pb)-Kernen (A = 208 Nukleonen) auf eine
stationäre Bleifolie geschossen, und zw ar mit einer Strahlenergie pro Nukleon von E str = 158 GeV; dies
entspricht einer Schw erpunktsenergie von √s NN = 17.3 GeV pro kollidierendem Nukleonenpaar. Zusätzlich
w urden auch Daten bei einigen niedrigeren Energien genommen, nämlich bei E str = 20, 30, 40 und 80 GeV
(entsprechend √s NN = 6.3, 7.6, 8.8 und 12.3 GeV). Dies erlaubte es, die Energieabhängigkeit verschiedener
physikalischer Größen zu messen und ggf. vorhandene Abw eichungen von einem glatten, monotonen Verlauf
als mögliche Signatur für einen QCD-Phasenübergang, also die Bildung eines QGPs zu beobachten (siehe
unten).
Zum NA49-Detektor, einem großen, aus verschiedenen Komponenten bestehenden Teilchenspektrometer mit
hoher räumlicher Akzeptanz, hat das MPI für Physik u.a. zw ei Kalorimeter zur Energiemessung und zw ei große
quaderförmige (3.9×3.9×1.8 m3 ) Spurendriftkammern (Time Projection Chambers, TPCs) zur Messung der
Flugbahnen ("Spuren") geladener Teilchen beigetragen. Eine TPC ist ein mit einem Gas gefüllter Behälter, in
dem ein hindurch fliegendes Teilchen entlang seiner Bahn das Gas ionisiert. Die Ionisationselektronen driften
in einem angelegten elektrischen Feld auf eine in kleine Segmente unterteilte Ausleseebene und erzeugen
dort elektrische Pulse, die elektronisch verstärkt, auf Datenträger gespeichert und später von leistungsfähigen
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Computern zu vollständigen Spuren verarbeitet w erden. Hierbei ergeben sich die drei räumlichen Koordinaten
eines
Spurpunktes
Ausleseebene
aus
(x,y) und
dem Auftreffpunkt der Driftelektronen
bei
bekannter
Driftgeschw indigkeit
auf benachbarten
aus
ihrer
Driftzeit
Segmenten
in
der
vom Spurpunkt
zur
Ausleseebene (z). Auf diese Weise kann eine TPC eine große Anzahl von Teilchenspuren eines Ereignisses mit
hoher räumlicher Auflösung gleichzeitig registrieren (Abb. 1).
Aus der Vielzahl an Physikresultaten aus NA49, die seit 1995 zu zahlreichen Veröffentlichungen geführt haben,
sollen im Folgenden zw ei Ergebnisse aus jüngster Zeit kurz beschrieben w erden.
O be re r Te il: Die P unk te ze ige n für ve rschie de ne
Ha drone na rte n die von e ine m the rm odyna m ische n Mode ll m it
3 a npa ssba re n P a ra m e te rn vorhe rge sa gte (horzionta le Sk a la )
und die im NA49-Ex pe rim e nt a m SP S ge m e sse ne (ve rtik a le
Sk a la ) m ittle re Multiplizitä t (Multiplicity) de r in ze ntra le n
P b+P b-Kollisione n be i Estr = 158 Ge V e rze ugte n Ha drone n.
Unte re r Te il: Diffe re nz (in Sta nda rda bwe ichunge n, R e sidua l)
zwische n Me ssung und Vorhe rsa ge für die e inze lne n
Ha drone na rte n.
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Im Laufe seiner Entw icklung durchläuft der heiße Feuerball die Phase eines Hadronengases (HG), das sich aus
Teilchen der verschiedenen Hadronenarten zusammensetzt und im Falle
eines Gleichgew ichts durch
thermodynamisch-statistische Modelle beschrieben w erden kann. Die von einem solchen Modell für die
einzelnen Hadronenarten vorhergesagten mittleren Multiplizitäten (Multiplizität = Anzahl der in einem Ereignis
erzeugten Teilchen) können mit den gemessenen mittleren Multiplizitäten verglichen w erden. W ie Abbildung 2
zeigt, stimmen die vorhergesagten (horizontale Skala) und gemessenen (vertikale Skala) Werte gut überein.
Für die Gleichgew ichtstemperatur des HGs ergab sich aus dem Vergleich ein Wert von ca. T ≈ 160 MeV/k ≈ 2 ×
10 12 K (K = Kelvin).
Für die Suche nach dem QGP ist die Erzeugung von Hadronen mit der Eigenschaft "Seltsamkeit" von
besonderem Interesse. Seltsame Hadronen (Kaonen, Hyperonen) sind dadurch gekennzeichnet, dass sie ein
oder mehrere seltsame Quarks (s-Quarks) - eine der sechs Quarkarten - enthalten. Energetisch ist es viel
leichter, in einem QGP durch Partonenreaktionen s-Quarks, die dann mit anderen Quarks zu seltsamen
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Hadronen ausfrieren, als in einem HG durch Hadronenreaktionen seltsame Hadronen direkt zu erzeugen. Das
häufigere Auftreten von seltsamen Hadronen in A+A-Kollisionen, verglichen mit Proton-Proton (p+p)-Stößen, ist
deshalb eine w ichtige Signatur für die Bildung eines QGPs.
Ene rgie a bhä ngigk e it [F = (√s NN - 2m N) 3/4 / s NN1/8 ≈ s NN1/4, m N
ist die Nuk le onm a sse ] ve rschie de ne r physik a lische r Größe n,
ge m e sse n in ze ntra le n Au+Au-Stöße n (Dre ie ck e : AGS, volle
Kre ise : R HIC ) und P b+P b-Stöße n (Q ua dra te : NA49) sowie in
p+p-R e a k tione n (offe ne Kre ise ). O be n: Mittle re P ione nMultiplizitä t pro a n de r Kollision te ilne hm e nde m Nuk le on.
Mitte : Ve rhä ltnis de r m ittle re n Multipliziä te n positiv ge la de ne r
Ka one n und P ione n. Unte n: Effe k tive Te m pe ra tur positiv
ge la de ne r Ka one n.
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Das mittlere Feld der Abbildung 3 zeigt das Verhältnis der mittleren Multiplizitäten der erzeugten positiven
Kaonen (seltsam) und Pionen (nicht-seltsam) in Abhängigkeit von einer Größe F, die ein Maß für die
Kollisionsenergie √s NN ist. Die Quadrate sind NA49-Messw erte aus zentralen Pb+Pb-Kollisionen bei den fünf
oben genannten Energien; außerdem sind Messungen bei niedrigeren Energien (Dreiecke aus Au+Au am
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Alternating Gradient Synchrotron (AGS) des BNL) und höheren Energien (volle Kreise aus Au+Au am RHIC)
eingetragen. Zum Vergleich w erden auch Werte aus p+p-Reaktionen gezeigt (offene Kreise). Der Vergleich
zeigt für A+A-Reaktionen (a) eine relative Verstärkung der Kaonen-Erzeugung und (b) eine stark nichtmonotone Energieabhängigkeit des K/π-Verhältnisses mit einem ausgeprägten Maximum bei E str ≈ 30 GeV.
Beide Beobachtungen w eisen auf eine QGP-Bildung hin, die schon bei relativ niedrigen SPS-Energien einsetzt.
Die beiden übrigen Felder der Abbildung 3 stützen dieses Ergebnis: Die mittlere Pionen-Multiplizität pro an der
Kollision teilnehmendem Nukleon (oberes Feld) steigt für A+A- und p+p-Reaktionen mit w achsender Energie
an, w obei für A+A die Steilheit des Anstiegs im SPS-Energiebereich zunimmt und dann bis zu RHIC-Energien
konstant bleibt. Die effektive Kaonen-Temperatur (unteres Feld) steigt mit zunehmender Energie zunächst
steil an, durchläuft im SPS-Bereich ein energieunabhängiges Plateau und w ächst danach w eiter an. (Dieser
Temperaturverlauf ähnelt demjenigen beim Phasenübergang z.B. von Eis zu Wasser). Hierbei tragen zur
effektiven Temperatur die ungeordnete thermische Bew egung der Teilchen (hier: Kaonen) in einem Gas und
ihre geordnete kollektive Bew egung infolge der Expansion des Feuerballs bei.
Das STAR-Experiment
Sche m a tische Da rste llung e ine r de r be ide n a m MP I für P hysik
k onstruie rte n Spure ndriftk a m m e rn (FTP C ) für da s STAR Ex pe rim e nt.
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Am RHIC des BNL, der im Jahre 2000 in Betrieb ging, lassen sich w esentlich höhere Kollisionsenergien (Faktor
~12) als am CERN-SPS erzielen, nämlich bis zu √s NN = 200 GeV pro Nukleonenpaar (mit E str ≈ 100 GeV). Dies
w ird dadurch erreicht, dass zw ei in Teilchenbündeln unterteilte Strahlen von Gold (Au)-Kernen (A = 197), die in
zw ei kreisförmigen Vakuumröhren mit 3.8 km Umfang in entgegengesetzter Richtung umlaufen, in sechs
Kreuzungspunkten (Wechselw irkungszonen) gegeneinander gelenkt w erden. Bei jeder Begegnung zw eier
Bündel finden zahlreiche Au+Au-Kollisionen statt.
Bei den höheren RHIC-Energien erw artet man in Folge der längeren Lebensdauer der QGP-Phase ein
deutlicheres Hervortreten einiger QGP-Signaturen und ein leichteres Erreichen des thermodynamischen
Gleichgew ichts sow ie das Auftreten harter partonischer Prozesse in der Anfangsphase des Feuerballs.
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Die Abbildung ze igt die Te ilche nspure n (grün) a us e ine r
ze ntra le n Au+Au-Kollision, die von e ine r de r be ide n im STAR Ex pe rim e nt e inge se tzte n FTP C -Spure ndriftk a m m e rn
ge m e sse n und von e ine m C om pute r re k onstruie rt wurde n.
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STAR ist ein 1200 t schw erer, einige Stockw erke hoher und aus mehreren Komponenten bestehender
Detektor, der um eine der RHIC-Wechselw irkungszonen herum aufgebaut w urde. Sein w ichtigster Bestandteil
ist eine große zylindrische TPC. (Mit ihr w urden z.B. die Spuren in Abbildung 1 aufgenommen.) Der Beitrag des
MPI für Physik sind zw ei identische kleinere TPCs, FTPC (Spurendriftkammer) genannt und in Abbildung 4
dargestellt, die rechts und links von der Wechselw irkungszone um das Strahlrohr herum installiert sind und
dazu dienen, diejenigen Teilchen zu erfassen, die unter kleinem W inkel zur Strahlrichtung erzeugt w erden. Die
Besonderheit dieser beiden Kammern gegenüber einer üblichen TPC besteht darin, dass die elektrischen
Feldlinien nicht parallel zueinander (und zum Magnetfeld), sondern radial (und senkrecht zum Magnetfeld)
verlaufen, sodass die Elektronen nicht auf eine ebene, sondern auf eine zylindrische Auslesefläche driften.
Abbildung 5 zeigt die Spuren eines Au+Au-Ereignisses, die aus den Messungen einer FTPC rekonstruiert
w urden.
Von den zahlreichen bisherigen Ergebnissen aus STAR soll als besonders interessantes Phänomen das jüngst
entdeckte Jet-Quenching kurz besprochen w erden: Bei den hohen Stoßenergien von RHIC können in der
Frühphase des Feuerballs die in den einlaufenden Nukleonen enthaltenen Partonen hart aneinander gestreut
w erden, w obei die beiden gestreuten energiereichen Partonen die Kollision häufig in entgegengesetzter
Richtung zueinander verlassen. Normalerw eise, z.B. in p+p-Kollisionen, hadronisieren solche energiereichen
Partonen in zw ei enge Bündel von Hadronen, Jets genannt. Findet die Parton-Parton-Kollision jedoch in einem
dichten in einer A+A-Kollision erzeugten QGP in der Nähe von dessen Oberfläche statt, so kann nur das eine
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Parton (Jet) das Plasma auf kurzem Wege verlassen, w ährend das andere das ganze Plasma durchqueren
muss, dabei durch W echselw irkungen im Plasma einen Großteil seiner Energie verliert und daher nicht mehr als
Jet beobachtet w erden kann.
Entde ck ung de s Je t-Q ue nchings in STAR :
Hä ufigk e itsve rte ilung de s Azim utwink e ls (W ink e l um die
Stra hlrichtung) ge la de ne r Te ilche n re la tiv zu e ine m
hoche ne rge tische n Trigge rte ilche n (be i ΔΦ = 0), in ze ntra le n
Au+Au-Stöße n (bla ue Ste rne ), ze ntra le n d+Au-Stöße n (rote
P unk te ) und p+p-Stöße n (schwa rze Ba lk e n) be i √s NN = 200
Ge V. Die Te ilche na nhä ufunge n be i 0° und 180° ste lle n Je ts
da r. W ä hre nd in p+p und d+Au-Stöße n die Je ts pa a rwe ise ,
je we ils in e ntge ge nge se tzte r R ichtung a uftre te n, ist in Au+AuStöße n de r ge ge nübe r lie ge nde Je t be i 180° unte rdrück t.
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Diese Jet-Unterdrückung (Jet-Quenching) w urde erstmals in Au+Au-Kollisionen am RHIC von STAR beobachtet:
Abbildung 6 zeigt für p+p-Stöße (schw arze Balken) zw ei Teilchenanhäufungen bei 0° und 180°, also zw ei Jets
in entgegengesetzten Richtungen; für zentrale Au+Au-Stöße (blaue Sterne) dagegen fehlt der 180°-Jet, ein
klarer Hinw eis auf Jet-Quenching. Um diese Interpretation der Messungen zu bestätigen, hat STAR auch
Kollisionen von Deuteronen d (bestehend aus nur zw ei Nukleonen, nämlich einem Proton und einem Neutron,
A = 2) mit Au-Kernen gemessen. Wegen der Kleinheit des Deuterons kann in d+Au-Kollisionen kein QGP
entstehen und somit kein Jet-Quenching stattfinden. Und tatsächlich w erden beide Jets beobachtet, w ie
Abbildung 6 (rote Punkte) zeigt.
Schlussbemerkung
Die Ausw ertung der STAR-Daten w ird noch fortgesetzt. An der Schw er-Ionen-Physik am zukünftigen Large
Hadron Collider (LHC) des CERN (ab 2007) bei noch höheren Energien (√s NN = 5500 GeV) nimmt das MPI für
Physik nicht mehr teil.
[1] V. Eckardt, N.Schmitz, P.Seyboth: Schw erionenphysik am RHIC, Physik Journal 1, Nr.11, S.55 (2002).
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