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THEMA: Quark-Gluon-Plasma im Magnetfeld

Quark-Gluon-Plasma im Magnetfeld 27 Sep 2019 16:23 #57883

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Wäre das Universum 100% symmetrisch, dann gäbe es uns heute nicht. Denn als beim Urknall die erste Materie aus Energie entstand, wurde zu jedem Elementarteilchen auch sein Antiteilchen gebildet.

Asymmetrien im Quark-Gluon-Plasma könnten weiter helfen, Unterschiede zu erklären, die zum Erhalt der Materie geführt haben.

Ein Quark-Gluon-Plasma entsteht, wenn die Temperatur so hoch ist (etwa 250.000-fach höher als im Zentrum der Sonne), dass Protonen und Neutronen der Atomkerne buchstäblich schmelzen und das Eingesperrt sein (Confinement) der Quarks und ihrer Austauschteilchen der Gluonen aufgehoben wird.

Eine solch hohe Temperatur kann heute nur noch für Bruchteile einer Sekunde (10^-24 sec) quasi punktförmig (10^-15 m) in einem Teilchenbeschleuniger wie dem Large Hadron Collider (LHC) erzeugt werden.
Dafür werden einmal im Jahr statt Protonen schwere Ionen, beispielsweise Blei, beschleunigt und aufeinander geschossen. Bei diesen Kollisionen herrschen für kurze Zeit Bedingungen ähnlich wie kurz nach dem Urknall.

Weil die kollidierenden Ionen bewegte elektrische Ladungen sind, induzieren sie ein magnetisches Feld und die zwei entgegengesetzten Strudel/Wirbel im Quark-Gluon-Plasma (s. Anhang), die durch das magnetische Feld erzeugt werden und sich in ihren symmetrischen Eigenschaften unterscheiden, lassen positiv geladene Teilchen bevorzugt in eine Richtung und negativ geladene Teilchen in die andere Richtung des entgegengesetzten Strudels/Wirbels sich bewegen.

Diese Asymmetrie könnte dabei helfen zu verstehen, wie eine ähnliche Symmetrieverletzung im frühen Universum zu einer Ungleichverteilung von Materie und Antimaterie geführt hat (die Antiteilchen gleichen der Materie in jeder Hinsicht – nur ihre elektrische Ladung ist genau umgekehrt). Theorien deuten darauf hin, dass sich der Unterschied zwischen Materie und Antimaterie in den magnetischen Eigenschaften wie etwa dem magnetischen Moment bemerkbar machen könnte.


Gibt es zum Thema Quark-Gluon-Plasma im Magnetfeld als Erklärung der Symmetrieverletzung im Ur-Universum
neue wissenschaftliche Erkenntnisse oder andere wissenswerte Neuigkeiten zu Eigenschaften des Quark-Gluon Plasma?

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Quark-Gluon-Plasma im Magnetfeld 27 Sep 2019 22:37 #57907

UN,

wie willst du denn der Asymmetrie auf die Schliche kommen, wenn du nur Materieteilchen aufeinander schießt?
Du müsstest das Gleiche mit Antiblei oder Antigold machen.

Und dann müssen sich Unterschiede in den resultierenden Magnetfeldern zeigen.

Antiblei konnte bislang nicht erzeugt werden, wird man auch auf absehbare Zeit nicht erzeugen können.
Wenn hier keine Symmetrie hergestellt werden kann, wird man auf diesem Wege auch keine Hinweise auf die Asymmetrie finden können.

Thomas
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Quark-Gluon-Plasma im Magnetfeld 28 Sep 2019 07:31 #57918

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Vielen Dank, Thomas.

Du beschreibst in deiner Antwort einen weiteren 2. Versuchsaufbau, wie man die Hypothese prüfen könnte, ob es einen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie in den magnetischen Eigenschaften gibt (der sich etwa in dem magnetischen Moment bemerkbar machen könnte).

Was aber klar zu sein scheint ist, dass man (noch) nicht die technischen Voraussetzungen hat.
Weder gibt es auf absehbare Zeit Ionen der Antimaterie (z.B. Antiblei oder Antigold), die man in einem Teilchenbeschleuniger wie dem Large Hadron Collider (LHC) kollidieren lassen könnte, um Unterschiede in den resultierenden Magnetfeldern zu zeigen noch ist die „Quarksuppe en miniature“, die man durch Kollisionen von Protonen mit Bleikernen in einem Teilchenbeschleuniger wie dem Large Hadron Collider (LHC) erzeugen kann, langlebig genug, um die Eigenschaften des flüssigen Quark-Gluon-Plasma im Magnetfeld zu untersuchen (auch in modernen Teilchenbeschleunigern lässt sich ein flüssiges Quark-Gluon-Plasma, was durch eine extrem hohe Temperatur und Dichte gekennzeichnet ist, nur für winzige Sekundenbruchteile aufrechterhalten).

Bzgl. beider Versuchsansätze gibt es aber Fortschritte.
Seit der LHC wieder mit deutlich höherer Energie angelaufen ist, sollte sich das Quark-Gluon-Plasma sehr viel eingehender untersuchen lassen. Denn bei den hohen Teilchenenergien, die mittlerweile in Reichweite sind, könnten sogar Proton-Proton-Kollisionen zu flüssigem Quark-Gluon-Plasma führen und auch Antiproton-Antiproton-Kollisionen und Kollisionen mit schwereren Anti-Kernen wie Antideuteron und Antihelium, welche heute schon in Teilchenbeschleuniger produziert werden können, wären denkbar…

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Quark-Gluon-Plasma im Magnetfeld 02 Nov 2019 21:26 #60044

UN schrieb: Diese Asymmetrie könnte dabei helfen zu verstehen, wie eine ähnliche Symmetrieverletzung im frühen Universum zu einer Ungleichverteilung von Materie und Antimaterie geführt hat (die Antiteilchen gleichen der Materie in jeder Hinsicht – nur ihre elektrische Ladung ist genau umgekehrt).

Nein, es wird angenommen, dass sich Protonen und Antiprotonen (bzw die Quarks u, u' und d, d') in gleicher Anzahl bildeten, allerdings der Zerfall durch eine Asymmetrie, wie sie bei anderen Teilchen (K° Nobelpreis für Fitch & Cronin 1980) bereits beobachtet wurde, bei unterschiedlichen Mindesttemperaturen stattfindet. Die Materie erforderte somit höhere Temperaturen, so dass die Antimaterie auch noch bei geringfügig niedrigeren Temperaturen zerfiel. Die restlichen Protonen und Antiprotonen annihilierten dann, so dass lediglich ein Rest an Protonen übrig blieb.

Ob es anders war, weiß niemand, dieser Mechanismus ist aber zumindest realistisch. Die für einen Test wegen hochergetischer Zwischenschritte nötigen Temperaturen (T>1e+10 K) überschreiten allerdings die Möglichkeiten der Beschleuniger auf absehbare Zukunft, allein schon wegen der nötigen Energie. So erklärt es jedenfalls Susskind (bisher kein Nobelpreis, er war aber Mitvordenker von diversen etablierten Theorien) als einzige derzeit logische Erklärung.

......ich muss das mit der Temperatur nochmal kontrollieren, da stimmt etwas nicht ganz
von 10¹⁵ GeV = 1.16e+28 K ist die Rede, glaube ich, das ist wohl auch die GUT-Temperatur
"Proton decay now remains as a key missing piece of evidence for grand unification" (2016) arxiv.org/pdf/1610.03597.pdf
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Quark-Gluon-Plasma im Magnetfeld 10 Nov 2019 12:17 #60681

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Vielen Dank für die bisher sehr spannenden und interessanten Beiträge, aber lasst uns doch bitte erst einmal eine Bestandsaufnahme machen für die verschiedenen Theorien zu einer der grundlegenden Fragen in der Physik, warum es nämlich im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt (und danach über die Wahrscheinlichkeiten ihrer Richtigkeit diskutieren).

Neben einer Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Quark-Gluon-Plasma, die sich etwa im magnetischen Moment bemerkbar machen könnte (siehe Hypothese im Video oben „Hot Quark Soup Produced at RHIC“ ab 0 min 52 sec) und asymmetrischer Zerfall von Protonen und Antiprotonen (bzw. von Quarks u,d und Antiquarks u',d') bei unterschiedlichen Mindesttemperaturen (analog zu der Entdeckung von Verstößen gegen grundlegende Symmetrieprinzipien beim Zerfall neutraler K-Mesonen; Nobelpreis für Fitch & Cronin 1980), wird von der Gruppe Elementarteilchenphysik an der Universität Warwick, UK derzeit eine weitere Möglichkeit untersucht, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.

Neutrinos (elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr geringer Masse; tatsächlich ist noch unklar wie viel die verschiedenen Typen von Neutrinos genau wiegen und auch, ob Neutrinos möglicherweise ihre eigenen Antiteilchen sind) können bei ihrer Ausbreitung im Weltraum zwischen drei verschiedenen Flavours - Elektron, Myon und Tau - oszillieren. Die Neutrino-Oszillationen könnten dann CP-Verletzungseffekte erzeugen, die eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie erzeugen.

Weitere Messungen sind erforderlich, um die physikalischen Eigenschaften der Neutrinos vollständig zu erforschen. Der ideale Weg, dies zu tun, ist die Verwendung einer Neutrino-Fabrik (Neutrino Factory Physics), die einen intensiven Strahl von Neutrinos erzeugt, der verwendet wird, um genaue Messungen der Parameter durchzuführen, die Neutrino-Oszillationen und CP-Verstöße beschreiben und wie die CP-Verletzung die beobachtete Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum erzeugen kann.
Das Design für eine solche Neutrino-Fabrik (Neutrino Factory Physics) würde einen Proton-Treiber, ein Pion-Produktionsziel, eine Myon-Kühlung, eine Myonenbeschleunigung und einen Myon-Speicherring als Elemente beinhalten und kann unter folgendem Link eingesehen werden.
warwick.ac.uk/fac/sci/physics/research/epp/exp/nufact

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