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Zwei Blei-Atome kollidieren. Dabei entsteht ein Quark-Gluon-Plasma, das ultrakurze Lichtpulse aussenden kann.

Quadrillionstel Sekunden messen

Am Kernforschungszentrum CERN in Genf werden bei der Kollision von Atomkernen die kürzesten Lichtblitze der Welt erzeugt. Doch noch gibt es keine Geräte, um diese Quadrillionstel Sekunden langen Ereignisse auch zu messen. Wie das funktionieren könnte, haben nun Forscher der Technischen Universität (TU) Wien gezeigt

Teilchenphysik 12.11.2012

Sie haben eine Methode vorgeschlagen, wie mit einem ohnedies am CERN geplanten Gerät die ultrakurzen Lichtblitze vermessen und damit auch nutzbar gemacht werden können.

Die Studie:

"Yoctosecond Metrology Through Hanbury Brown-Twiss Correlations from a Quark-Gluon Plasm" von Andreas Ipp und Peter Somkuti ist am 7.11. in den "Physical Review Letters" erschienen.

Messung von Quark-Gluon-Plasma

Lichtpulse werden verwendet, um physikalische Vorgänge zu untersuchen, die auf extrem kurzen Zeitskalen ablaufen. Mit Lasern werden heute Pulse in der Größenordnung von Attosekunden erreicht - Milliardstel einer Milliardstelsekunde (10 hoch minus 18 Sekunden).

Bei Kollisionen von Blei-Atomkernen am LHC "können aber Lichtpulse erzeugt werden, die noch einmal millionenfach kürzer sind", erklärte Andreas Ipp vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien am Montag in einer Aussendung der Uni. Das ist eine Größenordnung von Yoktosekunden (10 hoch minus 24 Sekunden).

Durch die Wucht des Aufpralls entsteht ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma - ein Materiezustand, der so heiß ist, dass selbst Protonen und Neutronen aufgeschmolzen werden. Sekundenbruchteile nach dem Urknall bestand das Universum aus diesem Quark-Gluon-Plasma, die elementaren Bestandteile der Materie - Quarks und Gluonen - bewegen sich dabei wirr durcheinander.

Methode stammt aus der Sternenmessung

Bei der Kollision im Teilchenbeschleuniger existiert dieses Quark-Gluon-Plasma nur für die unvorstellbar kurze Zeitspanne von einigen Yoktosekunden. Solche Zeitskalen sind mit menschlichen Maßstäben kaum zu beschreiben: Das ist etwa die Zeit, die das Licht benötigt, um einen Atomkern zu durchqueren. Oder anders gesagt: Eine Yoktosekunde verhält sich zu einer Tausendstelsekunde etwa so wie eine Tausendstelsekunde zum Alter des Universums.

Während dieser extrem kurzen Zeit entstehen in dem Quark-Gluon-Plasma auch Photonen, erklärte Ipp gegenüber der APA. Doch herkömmliche Messmethoden sind viel zu langsam, um diese extrem kurzen Lichtblitze aufzulösen. Ipp und sein Kollege Peter Somkuti schlagen nun vor, einen Effekt (Hanbury Brown-Twiss-Effekt) zu nutzen, der eigentlich für astronomische Beobachtungen entwickelt wurde.

Dabei werden die Daten von zwei verschiedenen Licht-Detektoren miteinander verknüpft, um etwa den Durchmesser eines Sterns genau zu berechnen. "Diesen Effekt kann man auch dazu nutzen, um zeitliche Abstände zu vermessen", sagte Ipp.

Gerät soll in sechs Jahren fertig sein

Experimentell wäre das zwar recht aufwändig, aber dennoch machbar. Vor allem würde man keine teuren zusätzlichen Detektoren benötigen. Die Messungen könnten mit dem geplanten Gerät "Forward Calorimeter" durchgeführt werden, das 2018 am ALICE-Experiment des CERN in Betrieb gehen soll. Das Experiment wäre damit die schnellste, also hochauflösendste Stoppuhr der Welt.

Die Vermessung der Lichtpulse könnte nicht nur neue Erkenntnisse über das Quark-Gluon-Plasma selbst liefern. Man könnte mit so kurzen Lichtblitzen auch Fragestellungen aus der Quantenphysik untersuchen. So ließe sich mit einem Lichtpuls der Zustand eines Objekts verändern, mit einem gleich danach ausgesendeten zweiten Lichtblitz dann diese Veränderung messen.

science.ORF.at/APA

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