• In welchen Phasen können Quarks und Gluonen sein? Welche davon sind nachgewiesen?
  • Wie sieht das Phasendiagramm der QCD aus?
  • Welche Phasenübergänge werden im Phasendiagramm vermutet?
  • Woher wissen wir das alles?

Ähnlich wie bei Wasser sind für uns auch Systeme von Quarks und Gluonen interessant, die nicht nur aus ein paar wenigen Teilchen bestehen, sondern aus extrem vielen Teilchen. Dabei kann es sich um die Materie in Atomkernen handeln oder um das Ergebnis eines Experiments mit einem Teilchenbeschleuniger wie dem LHC. Aber auch das Innenleben von Neutronensternen ist ein solches System aus Quarks und Gluonen. In diesen Systemen treten verschiedenste Drücke und Temperaturen auf. Physiker und Physikerinnen versuchen, eine theoretische Beschreibung dieser Zustände zu finden. Auf der experimentellen Seite versucht man, diese Zustände herzustellen, ihre Eigenschaften zu messen und die Übergänge zwischen ihnen zu identifizieren.

Die Phasen der Quarks

Durch Betrachtung von verschiedenen theoretischen Modellen, Computersimulationen sowie experimentellen Daten aus Kollisionen von schweren Ionen (engl. heavy ion collision) lässt sich untersuchen, wie das Phasendiagramm der Quantenchromodynamik, welches das Verhalten von Quarks und Gluonen bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen beschreibt, aussieht. Da aber theoretische Beschreibungen äußerst kompliziert und aufwändig und Experimente schwer zu realisieren sind, sind Details des Phasendiagramms nur in einem eingeschränkten Bereich gesichert.

Einer der bekannten Phasen ist die hadronische Phasen oder auch Hadronengas, welche bei niedrigeren Temperaturen und Drücken auftritt. In dieser Phase haben sich aus Quarks und Gluonen zusammengesetzte Teilchen gebildet. Bis jetzt wurden Teilchen aus zwei, drei oder fünf (Anti-)Quarks beobachtet, aber keine einzelnen Quarks oder Anti-Quarks. Das nennt man Confinement. Die uns umgebende Materie, also Neutronen und Protonen in Atomkernen, fällt in diese Phase. Je nach Temperatur und Druck kann man auch zwischen einer gasförmigen hadronischen Phase und einer flüssigen hadronischen Phase unterscheiden.

Eine weitere Besonderheit dieser Phase der Quantenchromodynamik ist die Brechung einer Symmetrie, der sogenannten chiralen Symmetrie. Wir gehen hier nicht auf die Details ein. Wichtig ist, dass diese Symmetriebrechung dem Proton und dem Neutron den Großteil ihrer Massen liefert. In anderen Phasen ist diese Symmetrie nicht gebrochen.

Details zu Symmetrien und deren Brechung sowie über die chiralen Symmetrie und ihre Bedeutung in der Starken Wechselwirkung findest du im Modul "Der Ursprung von Masse".

Für hohe Temperaturen befinden sich Quarks und Gluonen einer Phase, die Quark-Gluon-Plasma heißt. Diese konnte sowohl indirekt als auch direkt nachgewiesen werden. Die Teilchen verhalten sich hier, als ob sie frei wären - man spricht von quasi-freien Teilchen. Das Confinement in dieser Phase ist in diesem Sinne aufgehoben, auch wenn wirklich freie Teilchen weiterhin nicht existieren. Daneben ist auch die chirale Symmetrie wiederhergestellt.

Ein weitere vermutete Phase ist die eines farbsupraleitenden Quark-Gluonen-Systems. Bei einem herkömmlichen Supraleiter lassen sich elektrische Ladungen ohne Widerstand verschieben, das heißt Strom kann fließen, ohne dass es zu Verlusten kommt. Supraleiter in elektrischen Systemen wurden zuerst Anfang des 20. Jahrhunderts beobachtet und konnten 1957 erstmals theoretisch auf einer mikroskopischen Ebene beschrieben werden. Ein ähnliches Verhalten kann in einem System von Quarks und Gluonen vorliegen. Dabei sind die involvierten Ladungen die Farbladungen und man spricht von einem Farbsupraleiter.

Der aktuelle Kenntnisstand

Im Phasendiagramm des Wassers wir der Druck gegen die Temperatur aufgetragen. Für das Phasendiagramm der Starken Wechsewirkung hingegen wird in der Regel die Temperatur gegen das chemische Potential der Quarks aufgetragen. Das chemische Potential \( \mu_Q \) gibt an, wie viel Energie notwendig ist, um ein weiteres Quark in das System einzubringen. Grob gesprochen entspricht ein hohes chemisches Potential einer großen Dichte, und damit verbunden ist ein hoher Druck.

Computersimulationen zur Untersuchung des Phasendiagramms sind nur für ein chemisches Potential von null oder annähernd null möglich. Das hat mathematische Gründe. Die Erweiterung solcher Simulationen zu größerem chemischem Potential sind ein sehr aktives Forschungsgebiet. Für sehr kleines chemisches Potential sind solche Simulationen aber sehr erfolgreich. Sie haben gezeigt, dass es einen Übergang zwischen der Confinement-Phase mit gebrochener chiralen Symmetrie zu einem Quark-Gluonen-Plasma gibt. Allerdings gibt es keinen Phasenübergang, sondern der Übergang erfolgt kontinuierlich. Die beiden Phasen sind also nicht streng voneinander zu trennen. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen überwiegen die Eigenschaften des Hadrongases, bei ausreichend hohen Temperaturen die des Quark-Gluon-Plasmas. Dazwischen findet bei einer Temperatur von ungefähr $10^{12}\,K$ ein Übergang statt. Das entspricht in den in der Teilchenphysik üblichen Einheiten ca. $150$ MeV. Zusätzlich wird dieser Bereich auch durch Kollisionen mit Schwerionen untersucht. Diese haben ebenfalls die Existenz eines Quark-Gluon-Plasmas gezeigt.

QCD Phasendiagramm 2Das Phasendiagramm der Starken Wechselwirkung.
Bild: Alexander Gorfer (quant.uni-graz.at), (CC-BY-SA 4.0)

Alles, was über dieses Wissen über das Phasendiagramm der Starken Wechselwirkung hinausgeht, ist weniger gut gesichert und beruht zum Teil auf Modellen. Zum Beispiel vermutet man bei höherem chemischem Potential zwischen dem Hadronengas und dem Quark-Gluonen-Plasma einen Phasenübergang erster Ordnung, der in einem kritischen Punkt endet. Für hohes chemisches Potential und niedrige Temperaturen wird eine farbsupraleitende Phase erwartet. Allerdings gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, wie diese Phase genau aussehen könnte. Unter anderem vermutet man im Inneren eines Neutronensterns eine farbsupraleitende Phase.

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