Erstaunliche Einblicke in die Ursprünge der Materie im frühen Universum

Eine künstlerische Zeichnung des Partikelsprays, der bei der Kollision zweier schwerer Atome entsteht. Während die heiße subatomare Suppe abkühlt, fallen die neu gebildeten Teilchen in den Weltraum. Urheberrecht: Joseph Domenicus Lapp, Herausgeber

Wissenschaftler haben in Teilchenbeschleunigern die extremen Bedingungen des frühen Universums nachgebildet und dabei überraschende Einblicke in die Entstehung von Materie gewonnen.

Neue Berechnungen zeigen, dass bis zu 70 % einiger Teilchen möglicherweise aus späteren Reaktionen stammen und nicht aus der anfänglichen Quark-Gluon-Suppe, die sich unmittelbar nach der Reaktion bildete. UrknallDiese Entdeckung stellt frühere Annahmen über den Zeitplan der Materiebildung in Frage und legt nahe, dass sich ein Großteil der uns umgebenden Materie später als erwartet gebildet hat. Durch das Verständnis dieser Prozesse können Wissenschaftler die Ergebnisse von Kollisionsexperimenten besser interpretieren und ihr Wissen über die Entstehung des Universums verbessern.

Nachbildung der harten Bedingungen, die im frühen Universum herrschten

Die Temperatur des frühen Universums war 250.000 Mal höher als die des Kerns der Sonne. Dies ist zu heiß, als dass sich die Protonen und Neutronen bilden könnten, aus denen die alltägliche Materie besteht. Wissenschaftler stellen in Teilchenbeschleunigern die Bedingungen des frühen Universums nach, indem sie Atome mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen lassen. Durch die Messung der produzierten Teilchenmenge können Wissenschaftler verstehen, wie Materie entsteht.

Die Teilchen, die Wissenschaftler messen, können auf unterschiedliche Weise entstehen: aus der ursprünglichen Suppe aus Quarks und Gluonen oder durch spätere Wechselwirkungen. Diese nachfolgenden Wechselwirkungen begannen 0,000001 Sekunden nach dem Urknall, als zusammengesetzte Teilchen aus Quarks begannen, miteinander zu interagieren. Eine neue Berechnung ergab, dass bis zu 70 % einiger der gemessenen Teilchen aus diesen späteren Wechselwirkungen stammen und nicht aus Wechselwirkungen, die denen im frühen Universum ähneln.

Den Ursprung der Materie verstehen

Diese Entdeckung verbessert das wissenschaftliche Verständnis über den Ursprung der Materie. Es hilft zu bestimmen, wie viel der uns umgebenden Materie in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall gebildet wurde, verglichen mit der Menge an Materie, die sich durch spätere Wechselwirkungen bei der Expansion des Universums bildete. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass sich große Mengen der uns umgebenden Materie später als erwartet gebildet haben.

Um die Ergebnisse von Kollisionsexperimenten zu verstehen, müssen Wissenschaftler Partikel ausschließen, die bei nachfolgenden Wechselwirkungen entstehen. Nur diejenigen, die in der subatomaren Suppe entstanden sind, offenbaren die frühen Zustände des Universums. Diese neue Berechnung zeigt, dass die gemessene Anzahl der bei den Reaktionen gebildeten Partikel viel höher ist als erwartet.

Die Bedeutung nachfolgender Reaktionen bei der Partikelbildung

In den 1990er Jahren erkannten Physiker, dass einige Teilchen in großer Zahl durch nachfolgende Wechselwirkungen nach der anfänglichen Entstehung des Universums entstehen. Teilchen, die als D-Mesonen bezeichnet werden, können unter Bildung eines seltenen Teilchens, Carmonium, interagieren. Wissenschaftler sind sich nicht einig, wie wichtig dieser Effekt ist. Da Karmonium selten vorkommt, ist es schwierig zu messen.

Neuere Experimente liefern jedoch Daten über die Anzahl der Kollisionen, die von Carmonium- und D-Mesonen erzeugt werden. Yale-Universität Die Duke University nutzte die neuen Daten, um die Stärke dieses Effekts zu berechnen. Seine Bedeutung erwies sich als viel größer als erwartet. Mehr als 70 % des gemessenen Karmoniums können in Reaktionen gebildet werden.

Implikationen für das Verständnis der Ursprünge der Materie

Wenn die heiße Suppe aus subatomaren Teilchen abkühlt, dehnt sie sich zu einem Feuerball aus. Und das alles in weniger als einem Hundertstel der Zeit, die das Licht zum Überqueren benötigt MaisDa es so schnell ist, sind sich die Wissenschaftler nicht ganz sicher, wie sich der Feuerball ausgedehnt hat.

Die neuen Berechnungen zeigen, dass Wissenschaftler nicht unbedingt die Details dieser Erweiterung kennen müssen. Bei Kollisionen entsteht jedoch eine große Menge Karmonium. Das neue Ergebnis bringt Wissenschaftler dem Verständnis der Ursprünge der Materie einen Schritt näher.

Referenz: „J/ψ Hadron Regeneration in Pb+Pb Collisions“ von Josef Dominicus Lapp und Bernt Müller, 11. Oktober 2023, Physik der Buchstaben b.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138246

Diese Arbeit wurde vom Office of Science, Nuclear Physics Program des Energieministeriums unterstützt. Einer der Forscher bedankt sich auch für die Gastfreundschaft und finanzielle Unterstützung während seines Aufenthalts an der Yale University.