Rekordhohe Temperaturen: Billionen von Grad wurden kurz nach dem Urknall gemessen.

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Redaktionsteam der Website für technologische Innovation – 30. Oktober 2025

Ausschnitt des riesigen STAR-Detektors, der zur Erforschung der Frühzeit des Universums entwickelt wurde. [Bild: BNL]

Rekordtemperatur

Wenn Sie Schallplatten mögen, wird Ihnen diese hier gefallen: Es ist unmöglich, sich eine höhere Temperatur vorzustellen als die der Ursuppe, des sogenannten Quark-Gluon-Plasmas , das kurz nach dem Urknall entstand.

Wissenschaftler haben nun das Temperaturprofil dieses extrem heißen Materiezustands erfasst, der von einem Detektor namens STAR am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in den USA erzeugt wurde. STAR ist auch der Name der internationalen Kollaboration, die das Gerät entwickelt und betreibt und an der Hunderte von Wissenschaftlern aus 55 Institutionen in 12 Ländern beteiligt sind.

Durch die Analyse seltener Elektronen- und Positronenemissionen aus Atomkollisionen bestimmte das Team die genauen Temperaturen in verschiedenen Stadien der Entwicklung des Urplasmas. Die Ergebnisse bestätigen nicht nur theoretische Vorhersagen, sondern verfeinern auch das Phasendiagramm der Quantenchromodynamik (QCD), welches das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen beschreibt.

„Unsere Messungen enthüllen die thermische Signatur des Quark-Gluon-Plasmas“, sagte Frank Geurts, Mitglied der STAR-Kollaboration. „Die Verfolgung der Dileptonenemissionen ermöglichte es uns, die Temperatur des Plasmas und den Zeitpunkt seines Abkühlbeginns zu bestimmen und so einen direkten Einblick in die Bedingungen nur Mikrosekunden nach der Entstehung des Universums zu gewinnen.“

Das Diagramm veranschaulicht die Eigenschaften von Materie mit baryonischem chemischem Potential (entspricht der Nettobaryonen-Teilchendichte) und Temperatur, mit Referenzpunkten für normale Atomkerne, Neutronensterne und den Phasenübergang zu Quark-Gluon-Plasma. [Bild: STAR Collaboration - 10.1038/s41467-025-63216-5]

Billionen Grad

Die Ergebnisse zeigten zwei unterschiedliche Temperaturbereiche, abhängig von der Masse der emittierten Elektronenpaare.

Im Bereich niedriger Massen erreichte die Durchschnittstemperatur etwa 2,01 Billionen Kelvin, was mit theoretischen Vorhersagen und den Temperaturen beim Übergang von Plasma in gewöhnliche Materie übereinstimmt. Im Bereich höherer Massen betrug die Durchschnittstemperatur etwa 3,25 Billionen Kelvin und repräsentiert die anfängliche, heißere Phase des Plasmas.

Dieser Kontrast lässt vermuten, dass Elektronen mit geringer Masse erst später in der Entwicklung des Plasmas entstanden, während Elektronen mit hoher Masse in einem früheren, energiereicheren Stadium gebildet wurden.

Durch die präzise Messung der Temperatur von Quark-Gluon-Plasma in verschiedenen Entwicklungsstadien gewannen Wissenschaftler entscheidende experimentelle Daten zur Vervollständigung des QCD-Phasendiagramms. Dieses Diagramm ist unerlässlich, um das Verhalten fundamentaler Materie unter immenser Hitze und Dichte zu erfassen – Bedingungen, die kurz nach dem Urknall herrschten und auch heute noch in astrophysikalischen Phänomenen wie Neutronensternen auftreten.

„Mithilfe dieser Wärmekarte können Forscher nun ihr Verständnis der Lebensdauer von Quark-Gluon-Plasma und seiner Transporteigenschaften verfeinern und so unser Wissen über das frühe Universum erweitern“, sagte Geurts. „Dieser Fortschritt bedeutet mehr als nur eine einfache Messung; er läutet eine neue Ära in der Erforschung der extremsten Bereiche der Materie ein.“

Schematische Darstellung einer Au+Au-Kollision, rekonstruiert mit dem STAR-Detektor. [Bild: STAR-Kollaboration – 10.1038/s41467-025-63216-5]

Welcher Thermometertyp wurde verwendet?

Die Messung von Temperaturen in Umgebungen, in denen kein Instrument physikalisch überleben kann, erforderte ein hohes Maß an Kreativität und harter Arbeit.

Das Team bewältigte diese Herausforderung, indem es thermische Elektronen- und Positronenpaare untersuchte, die bei Hochgeschwindigkeitskollisionen von Atomkernen im Teilchenbeschleuniger freigesetzt wurden. Mithilfe dieser Emissionen konnten sie die Plasmatemperatur während ihrer Entstehung und Abkühlung rekonstruieren.

„Thermische Leptonenpaare, also Elektron-Positron-Emissionen, die während der Lebensdauer von Quark-Gluon-Plasma entstehen, haben sich als ideale Kandidaten erwiesen“, sagte Geurts. „Im Gegensatz zu Quarks, die mit dem Plasma wechselwirken können, durchdringen diese Leptonen es nahezu unbeschadet und tragen unverzerrte Informationen über ihre Umgebung.“

Dies erforderte beispiellose technologische Verbesserungen am STAR-Detektor, um niederenergetische Leptonenpaare zu isolieren und das Hintergrundrauschen zu reduzieren. Der zentrale Gedanke ist, dass die Energieverteilung dieser Paare direkt die Plasmatemperatur offenbart – ein Verfahren, das als „durchdringendes Thermometer“ bekannt ist. Die Emissionen werden integriert, um ein durchschnittliches Temperaturprofil zu erstellen.

Frühere Schätzungen der Temperatur nach dem Urknall waren mit großen Unsicherheiten behaftet und wurden zudem durch Bewegungen innerhalb des Plasmas verzerrt, die Abweichungen ähnlich dem Doppler-Effekt erzeugten, oder durch Unklarheiten darüber, ob die Messwerte das Plasma selbst oder spätere Stadien seines Zerfalls widerspiegelten.

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