Evolution des Universums



Auch der Ursprung des Universums und dessen Entwicklungsgeschichte wirft noch viele Fragen auf. Wir nehmen an, dass wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall die gesamte Materie als eine unvorstellbar heiße und dichte "Ursuppe", bestehend aus Quarks und anderen Elementarteilchen, vorlag. Erst später bildeten sich aus dieser Quarkmaterie die Protonen und Neutronen - Können wir in Beschleunigerexperimenten kurzzeitig diese Urform der Materie erzeugen und studieren?

  

Was wir bereits wissen...

Der Aufbau der Materie, die Hierarchie der aufeinander folgenden Ebenen vom Mikro- zum Makrokosmos, ist eng verknüpft mit der Folge von evolutionären Epochen, welche unser Universum durchläuft. Im Urknall geboren, mit unvorstellbaren Temperaturen und Energiedichten, expandiert es explosionsartig, kühlt sich dabei langsam ab und durchläuft eine Sequenz von Metamorphosen bis zum heutigen Zustand und darüber hinaus.

Aus reinen Strahlungsfeldern werden zunächst masselose, dann massive Elementarteilchen, aus einer Ursuppe bestehend aus Quarks, Gluonen, Photonen und Leptonen formieren sich eine tausendstel Sekunde nach dem Urknall die Bausteine der Atomkerne - Neutronen und Protonen - und daraus in den ersten drei Minuten die leichtesten Atomkerne. Nach 300 000 Jahren entstehen die ersten neutralen Atome. Diese bilden riesige Gaswolken, aus denen etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne geboren werden. Im Inneren der Sterne entstehen über Fusion von Atomkernen die chemischen Elemente bis zum Eisen. Die schwersten Elemente werden in gewaltigen Sternexplosionen gebildet, auch heute noch - 13,7 Milliarden Jahre nach dem Urknall - und in ferner Zukunft.
Die Abfolge der kosmischen Evolution ist diktiert durch die physikalischen Gesetze und die fundamentalen Symmetrien der Natur. Unser Streben, den Ursprung und die Entwicklung des Universums zu verstehen, ist eine der wesentlichen Triebfedern wissenschaftlicher Forschung und auch des hier vorgestellten Projekts FAIR.

     

...und was wir wissen wollen

Auch wenn wir den groben Ablauf des kosmischen Schauspiels nachvollziehen können, so gibt es doch noch viele grundlegende Fragen zu den einzelnen Akten.

FAIR SOLL UNS HELFEN, DIE FASZINIERENDE EVOLUTION DES UNIVERSUMS NACHZUVOLLZIEHEN.

Eine millionstel Sekunde nach dem Urknall lag die gesamte Materie als eine unvorstellbar heiße und dichte Ursuppe, bestehend aus Quarks, Gluonen und anderen Elementarteilchen, vor. Wie die Elektronen in einem Plasma, so konnten sich auch die Quarks in diesem Quark-Gluon-Plasma quasi frei bewegen. Ähnliche Materieformen vermutet man noch heute im Inneren von Neutronensternen.
Können wir in Kernreaktionen den Übergang von Kernmaterie in das Quark-Gluon-Plasma untersuchen?

Die Vielfalt der Atomkerne und der chemischen Elemente entstand und entsteht auch noch heute im Inneren von Sternen und in Sternexplosionen.
Welche Kernreaktionen laufen bei der Elementsynthese ab? Welche Rolle spielen dabei die instabilen Kerne?

Auf der Erde herrschen moderate Temperatur- und Druckbedingungen, welche die Entstehung des Lebens begünstigt haben. Im Inneren der Erde oder noch dramatischer im Zentrum großer Planeten und Sonnen herrschen jedoch extrem hohe Drücke und Temperaturen.
Welche Zustände nimmt Materie unter extrem hohen Drücken und Temperaturen an?

Astronomische Beobachtungen zeigen, dass es im Universum nur Materie und keine Antimaterie gibt. Dies erklären die Wissenschaftler qualitativ dadurch, dass die physikalischen Gesetze fundamentale Symmetrien verletzen. Die experimentell gefundenen Fälle jener Symmetrieverletzungen reichen jedoch nicht aus, um quantitativ das Überleben der Materie zu verstehen.
Lassen sich neue Hinweise auf fundamentale Symmetrieverletzungen in der Natur finden?

Aus der Bewegung der Galaxien wissen wir, dass es etwa 20fach mehr Materie im Universum geben muss, als wir direkt beobachten. Als Kandidaten für diese Dunkle Materie werden unter anderem auch neuartige Verbindungen der Starken Kraft vorgeschlagen, deren experimenteller Nachweis bisher jedoch noch nicht gelang.
Lassen sich unter verbesserten experimentellen Bedingungen Hinweise auf neuartige Materieformen finden?

  


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