Physik: Team erzeugt das stärkste Magnetfeld des Universums

Physiker:innen ist es gelungen, in einem Teilchenbeschleuniger in den USA das wahrscheinlich stärkste Magnetfeld des Universums zu erzeugen. Dabei wurde eine Feldstärke von einer Trillion Gauß erreicht. Diese konnte aber nur wenige Sekundenbruchteile aufrecht erhalten werden. Das Magnetfeld entstand bei der seitlich gegeneinander versetzten Kollision von Schwerionen und der daraus resultierenden Erzeugung eines Quark-Gluon-Plasmas. Die Kräfte, die dabei auftraten, geben Einblick in das Universum direkt nach dem Urknall sowie in die sogenannte Starke Kernkraft.

Bild: Tiffany Bowman and Jen Abramowitz/Brookhaven National Laboratory

„Ursuppe“ im Teilchenbeschleuniger

In den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall gab es weder Atome noch Kernbausteine, weshalb sich Quarks und Gluonen frei umherbewegten. Bei diesem Quark-Gluon-Plasma handelte es sich um eine Art „Ursuppe“ – die Basis aller Materie im Kosmos. Mittels winziger, kurzlebiger Tröpfchen dieses Plasmas können Physiker:innen diesen Zustand direkt nach dem Urknall erforschen. Dabei kommen Teilchenbeschleuniger zum Einsatz, in denen Schwerionen wie Gold- oder Bleikerne mit hohen Energien miteinander kollidieren. In früheren Experimenten wurde bereits gezeigt, dass dieses „Ur-Plasma“ die flüssigste Flüssigkeitim Universum ist. Es besitz keinerlei innere Reibung und kann schneller rotieren als jedes andere Fluid.

In einem Experiment mit dem Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory in den USA haben Physikerinnen dem Quark-Gluon-Plasma nun ein weiteres Geheimnis entrungen. Dafür beschleunigten sie Atomkerne von Gold, Tuthenium oder Zirkonium in dem Teilchenbeschleuniger und ließen diese mit Energien von bis zu 200 Gigaelektronenvolt miteinander kollidieren, wobei für etwa 100 Quadrillionstel Sekunden ein Quark-Gluon-Plasma entsteht.

Wenn diese Schwerionen nicht genau frontal aufeinandertreffen, sondern leicht gegeneinander versetzt, wird der entstehenden Teilchenwolke sowie dem Plasma ein Drall verliehen. Durch diesen wirbeln Quarks, Gluonen sowie noch nicht zerfallene, positive geladene Protonen aneinander vorbei. Theoretisch müsste dies ein starkes Magnetfeld erzeugen. Bisher war allerdings nicht klar, wie stark dieses Magnetfeld wirklich ist und wie es sich auf das Quark-Gluon-Plasma auswirkt.

Eine Trillion Gauß Feldstärke

Einem Team der STAR-Kollaboration ist es nun gelungen, derartige Messungen durchzuführen. Die Physiker:innen konnten anhand der Flugbahnen der Teilchen, die durch die Kollision erzeugt wurden, ermitteln, dass in dem Quark-Gluon-Plasma tatsächlich ein starkes Magnetfeld mit einer Feldstärke von 10^18 Gauß entsteht, also einer Trillion Gauß. „Dies ist wahrscheinlich das stärkste Magnetfeld in unserem Universum„, so Gang Wang von der University of California in Los Angeles, Koautor der Studie. Das Magnetfeld der Erde bring es eine Stärke von etwa 0,5 Gauß, ein Kühlschrankmagnet hat eine Feldstärke von etwa 100 Gauß.

Das Magnetfeld, das im Teilchenbeschleuniger erzeugt wurde, ist etwa tausend mal stärker als das der Magnetare. Dabei handelt es sich um extrem dichte, schnell rotierende Neutronensterne, die mit zu den stärksten Magnetes des Kosmos gehören. Das Magnetfeld im Teilchenbeschleuniger ist allerdings nur sehr kurzlebig und fällt bereits nach 10^-23 Sekunden wieder zusammen, also nach etwa 100 Quadrillionstel Sekunden.

Erfolgreiche Messungen

Trotz der extrem kurzen Zeitspanne, über die das Magnetfeld besteht, gelang es den Physiker:innen, dieses zu beobachte. Es handelt sich dabei um die erste Messung, in der nachvollzogen werden kann, wie das Magnetfeld mit dem Quark-Gluon-Plasma wechselwirkt. Dabei ging es dem Team vor allem um die Frage, inwieweit der Einfluss des Magnetfeld ein entsprechendes elektromagnetisches Feld im Plasma induziert und wie stark dieses dann ist.

Die Messungen zeigten, dass die Plasmawolke tatsächlich stark auf das Magnetfeld reagiert. „Wir sehen ein Muster der ladungsabhängigen Ablenkung, die nur durch ein elektromagnetisches Feld im Quark-Gluon-Plasma ausgelöst worden sein kann – ein klares Zeichen für eine Faraday-Induktion„, so Aihong Tang vom Brookhaven National Laboratory, ein weiterer Koautor der Studie.

Einblicke in die „Ursuppe“ und die Entstehung des Universums

Die Ergebnisse der Experimente geben neue Einblicke in die fundamentalen Eigenschaften der kosmischen „Ursuppe“ und in die Entstehung der ersten Materiebausteine. Die Magnetfelder im Plasma könnten etwa dazu führen, dass sich geladene Teilchen je nach Ladung und magnetischem Spin voneinander trennen. „Unsere Studie liefert starke Belege für ein solches Magnetfeld und damit eine Voraussetzung für diesen chiralen Magneteffekt„, so Shen weiter. Diese Erkenntnisse könnten auch Aufschlüsse darüber geben, wie die Starke Kernkraft untrer solchen Bedingungen agiert. „Denn die von der Starken Kernkraft vermittelten Interaktionen der Quarks und Gluonen müssten sich in einem extremen elektromagnetischen Feld verändern„, erläutert Wang.

via Brookhaven National Laboratory