Wasser kann fest, flüssig oder gasförmig sein – welcher Zustand vorliegt, hängt von Temperatur und Druck ab. Dieses Wissen steckt in einem der berühmtesten Diagramme der Physik: Dem Phasendiagramm. Was viel weniger bekannt ist: Auch Kernmaterie hat ein solches Phasendiagramm. Nur ist es bis heute weitgehend unvermessen. Es zu kartieren, gehört zu den zentralen Zielen der künftigen Beschleunigeranlage FAIR – und es ist einer der Gründe, warum FAIR gerade nicht auf die höchsten Energien der Welt zielt.
Um zu verstehen, worum es geht, lohnt ein genauerer Blick auf das vertraute Beispiel. Erhitzt man Wasser bei Normaldruck, siedet es bei 100 Grad Celsius: Ein scharfer Übergang, bei dem sich zwei klar unterscheidbare Phasen gegenüberstehen. Erhöht man aber gleichzeitig den Druck, verschiebt sich dieser Siedepunkt – und irgendwann hört die Siedelinie einfach auf. Bei 374 Grad Celsius und rund 221 bar liegt der kritische Punkt des Wassers. Jenseits davon gibt es keinen Unterschied mehr zwischen Flüssigkeit und Dampf, sondern nur noch einen einzigen, überkritischen Zustand.
Besonders faszinierend ist, was unmittelbar am kritischen Punkt geschieht. Dort schwanken die Dichten auf allen Längenskalen gleichzeitig, das Medium bildet spontan Bereiche unterschiedlicher Dichte in jeder Größe. Diese Schwankungen streuen Licht so stark, dass die zuvor klare Flüssigkeit milchig-trüb wird. Kritische Opaleszenz nennt man das Phänomen – und es ist mehr als eine Kuriosität. Es zeigt, dass sich ein kritischer Punkt durch außergewöhnlich große Fluktuationen verrät. Diese Idee wird später noch wichtig.
Nun zur Kernmaterie. Ihr Phasendiagramm wird üblicherweise über zwei Achsen aufgespannt: die Temperatur und ein Maß für die Dichte an Baryonen, also für den Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie. Ganz unten links, bei Temperatur nahe null und der Dichte gewöhnlicher Atomkerne, liegt die Materie, aus der wir bestehen – etwa 270 Billionen Kilogramm pro Kubikmeter. Erhitzt man sie, verdampft sie zunächst zu einem Gas aus Hadronen: Protonen, Neutronen, Pionen und ihren Verwandten. Treibt man die Temperatur weiter hoch, geschieht etwas Bemerkenswerteres. Bei etwa zwei Billionen Grad (für Kernphysikerinnen und -physiker: so ca. 150 MeV) lösen sich die Hadronen auf. Quarks und Gluonen, die sonst unter allen Umständen in farbneutralen Teilchen eingesperrt sind, bewegen sich frei über größere Distanzen. Dieser Zustand heißt Quark-Gluon-Plasma, und das Universum befand sich in den ersten Millionstelsekunden nach dem Urknall darin.
Wie genau dieser Übergang abläuft, hängt entscheidend davon ab, wo im Diagramm man sich befindet. Für den Bereich sehr geringer Baryonendichte – also dort, wo Materie und Antimaterie fast im Gleichgewicht sind, wie im frühen Universum – lässt sich die Frage rechnerisch beantworten. Gitterrechnungen der Quantenchromodynamik zeigen: Dort gibt es gar keinen scharfen Übergang, sondern einen so genannten Crossover. Die Materie geht schleichend in das Plasma über, so wie Nebel allmählich dichter wird, ohne dass es eine scharfe Grenze gäbe.
Bei hohen Dichten wird die Lage unübersichtlich, und zwar aus einem sehr konkreten Grund: Das numerische Verfahren, das im dichtearmen Bereich so gut funktioniert, versagt hier. Die Gewichtungsfaktoren in den Rechnungen werden komplexe Zahlen, die sich gegenseitig weitgehend auslöschen – Fachleute sprechen vom Vorzeichenproblem. Die Theorie kann also gerade dort am wenigsten sagen, wo es am spannendsten wird.
Was viele theoretische Modelle jedoch übereinstimmend nahelegen: Bei hohen Dichten sollte der Übergang seinen Crossover-Charakter verlieren und zu einem echten Phasenübergang erster Ordnung werden – mit einer scharfen Grenzlinie, wie beim Sieden von Wasser. Und dort, wo diese Linie auf das Crossover-Gebiet trifft, müsste ein kritischer Punkt liegen. Ob es ihn wirklich gibt und wo genau er sich befindet, ist offen. Es ist eine der großen unbeantworteten Fragen der starken Wechselwirkung.
Experimentell führt der Weg dorthin über Schwerionenkollisionen. Lässt man zwei Goldkerne aufeinanderprallen, entsteht für einen winzigen Moment ein Feuerball aus heißer, komprimierter Kernmaterie. Und hier kommt eine Eigenheit ins Spiel, die auf den ersten Blick paradox wirkt: Je höher die Kollisionsenergie, desto weniger dicht wird die entstehende Materie. Bei sehr hohen Energien, wie sie am LHC erreicht werden, durchdringen sich die Kerne beinahe. Zurück bleibt eine extrem heiße Zone, in der Materie und Antimaterie in ähnlicher Menge entstehen – ein Abbild des frühen Universums, aber eben bei geringer Baryonendichte. Senkt man die Energie hingegen ab, bremsen sich die Kerne gegenseitig aus, ihre Bausteine stauen sich auf, und die Dichte im Feuerball erreicht ein Vielfaches der normalen Kerndichte. Genau dieser Bereich des Phasendiagramms ist das Zielgebiet von FAIR.
Das zu vermessen ist schwierig und das hat handfeste Gründe. Der Feuerball existiert in der Größenordnung von 10⁻²² Sekunden, dehnt sich rasant aus und kühlt dabei ab. Kritische Fluktuationen brauchen jedoch Zeit, um sich auszubilden – ausgerechnet in der Nähe eines kritischen Punktes werden physikalische Prozesse träge. Was am Ende im Detektor ankommt, ist also bestenfalls ein abgeschwächtes Echo. Um es zu hören, braucht es sehr viele Kollisionen, sehr präzise Detektoren und eine Datenverarbeitung, die extrem hohe Raten verkraftet. Genau darauf ist das CBM-Experiment an FAIR ausgelegt, während HADES den Bereich niedrigerer Energien abdeckt.
Der Lohn wäre beträchtlich, und zwar weit über die Teilchenphysik hinaus. Der kalte, aber extrem dichte Bereich des Phasendiagramms beschreibt nämlich das Innere von Neutronensternen. Verschmelzen zwei solche Sterne, werden für kurze Zeit auch hohe Temperaturen erreicht – dieselbe Region also, die Schwerionenexperimente im Labor ansteuern. Gravitationswellen, Kilonova-Beobachtungen, Gitterrechnungen und Beschleunigerexperimente vermessen damit gemeinsam ein und dieselbe Landkarte, jedes mit seinen eigenen blinden Flecken.
Für die HFHF ist dieses Zusammenspiel Programm. Im Forschungsschwerpunkt Heiße und dichte Materie arbeiten Experiment und Theorie an derselben Frage: Wie verhält sich Materie unter Bedingungen, die es sonst nur im Kosmos oder im allerersten Moment des Universums gibt? Die Landkarte hat bisher viele weiße Stellen. Wir hoffen in den nächsten Jahren einige füllen zu können.