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PHYSIK
Materie unter extremen Bedingungen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Goethe-Universität Frankfurt
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31. Mai 2017

Welche Eigenschaften hatte Materie in der ersten Millionstel Sekunde nach dem Urknall, bei Temperaturen, die die im Inneren unserer Sonne um das Hunderttausendfache übersteigen? Diese Frage wollen nun drei Universitäten im Rahmen eines neuen Sonderforschungsbereichs gemeinsam aus der Sicht der Quantenchromodynamik untersuchen.

HUDF

Direkt nach dem Urknall, lange bevor die ersten Galaxien entstanden, herrschten im Universum extreme Bedingungen.  Bild: NASA, ESA, H. Teplitz und M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) und Z. Levay (STScI) [Großansicht]

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat einen neuen Transregio-Sonderforschungsbereich (SFB-TR) bewilligt, in dem Physiker der Goethe-Universität Frankfurt, der Universität Bielefeld und der Technischen Universität Darmstadt gemeinsam "stark-wechselwirkende Materie unter extremen Bedingungen" erforschen wollen. Dafür hatten die Forscher für die nächsten vier Jahre rund acht Millionen Euro beantragt. Sprecher des neuen Forschungsverbunds, der in der Kooperation mit der TU Darmstadt auch die Ende 2015 ins Leben gerufene Strategische Allianz der Rhein-Main-Universitäten (RMU) stärkt, ist der Frankfurter Physiker Prof. Dirk Rischke.

Mit "extremen Bedingungen" sind hohe Temperaturen und Dichten gemeint, wie sie etwa in der ersten Millionstel Sekunde nach dem Urknall vorlagen: Einige Billionen Grad Celsius (das ist viele tausend Mal heißer als das Innere unserer Sonne) sowie das Mehrfache der in Atomkernen erreichten Dichte (mehrere 100 Millionen Tonnen pro Kubikzentimeter). Unter diesen Bedingungen ist Materie von der sogenannten starken Wechselwirkung dominiert.

Die starke Wechselwirkung ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Sie ist beispielsweise für den Aufbau der Atomkerne aus Protonen und Neutronen und für deren innere Struktur aus Quarks und Gluonen verantwortlich. Unter extremen Bedingungen bildet stark-wechselwirkende Materie neuartige Zustandsformen aus, vergleichbar mit den verschiedenen Aggregatzuständen des Wassers als Eis, Flüssigkeit und Gas.

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Während dies an großen Teilchenbeschleunigern wie dem LHC am CERN in Genf und in Zukunft an FAIR in Darmstadt experimentell untersucht wird, will der neue SFB-TR die Thematik von theoretischer Seite her beleuchten. In 14 Teilprojekten sollen hier die fundamentalen Eigenschaften stark-wechselwirkender Materie untersucht und auf die Physik im frühen Universum und in Schwerionen-Experimenten angewendet werden.

Erklärtes Ziel ist es dabei, möglichst direkt von der fundamentalen Theorie der starken Wechselwirkung, der Quantenchromodynamik (QCD), auszugehen. Diese Theorie, für deren Erforschung es schon mehrere Nobelpreise gab, ist seit über 40 Jahren bekannt. Dennoch hat es sich vielfach als schwierig erwiesen, im Rahmen der QCD konkrete Vorhersagen zu machen. Insbesondere die Eigenschaften makroskopischer Ansammlungen stark-wechselwirkender Teilchen bei hohen Temperaturen und Dichten konnten noch nicht zufriedenstellend aus der QCD abgeleitet werden.

Einzigartig am neuen SFB-TR ist die Kombination von analytisch basierten Methoden mit aufwändigen numerischen Simulationen auf Höchstleistungs-Supercomputern. "Dies geschieht in enger Zusammenarbeit, so dass wir die Stärken der jeweiligen Zugänge und die unterschiedlichen Expertisen an den drei Standorten optimal ausnutzen", betont Rischke. Prof. Jochen Wambach von der TU Darmstadt, zusammen mit Prof. Frithjof Karsch von der Universität Bielefeld Rischkes Stellvertreter, ergänzt: "Viele von uns kennen sich schon lange und haben auch früher erfolgreich zusammengearbeitet. Der Transregio stellt diese Kooperation aber auf eine völlig neue Stufe."

Die gleichberechtigte Zusammenarbeit der drei Partneruniversitäten wird dadurch unterstrichen, dass bereits jetzt vereinbart wurde, die Sprecherschaft des SFB-TR nach jeder Förderperiode bei erfolgreicher Verlängerung rotieren zu lassen. "Die komplexen theoretischen Fragestellungen sowie die derzeit stattfindenden und bereits geplanten Experimente in diesem auch international äußerst aktiven Forschungsgebiet, werden in dem kommenden Jahrzehnt Anregungen für vielfältige Forschungsprojekte geben", sagt Karsch. "Wir sind daher davon überzeugt, die maximale Laufzeit eines SFBs von zwölf Jahren mit interessanten Projekten ausfüllen zu können", sind sich Rischke, Karsch und Wambach einig.

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siehe auch
Materie: Das Innere von Gasriesen und Sternen - 17. Oktober 2016
Physik: Die Materie im Inneren von Gasriesen - 27. Januar 2012
Teilchenphysik: Im Inneren von Jupiter und Saturn - 26. Juli 2007
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