Bei sehr hoher Temperatur verwandelt sich die uns umgebende Materie in einem Phasenübergang in ein wechselwirkendes Gas aus Quarks und Gluonen, den elementaren Bausteinen der starken Wechselwirkung. Erste Einblicke in die Struktur dieses Phasenübergangs lieferten theoretische Untersuchungen im Rahmen der Gitter-Eichtheorie der starken Wechselwirkung. Aus der Analyse des beobachteten thermischen Verhaltens der Teilchenproduktion in ultra-relativistischen Kern-Kern-Stößen leiten sich quantitative Informationen über die Phasenstruktur solch extremer Materie ab.
Die Struktur des Phasendiagramms stark wechselwirkender Materie besser zu verstehen, ist seit etwa drei Jahrzehnten das Ziel intensiver Forschungsbemühungen [1]. Zusammenfassungen der theoretischen und experimentellen Anstrengungen und Ergebnisse kurz vor dem Start des Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf finden sich in [2, 3]. In der Quantenchromodynamik (QCD) nimmt die Kopplungskonstante der QCD für Wechselwirkungen zwischen ihren Konstituenten, den Farbladung tragenden Quarks und Gluonen, mit wachsendem Relativimpuls ab. Kurz nach der Entdeckung dieser asymptotischen Freiheit erkannte man, dass Materie aus Quarks und Gluonen bei sehr hohen Dichten und/oder Temperaturen völlig andere Eigenschaften haben sollte als normale Kernmaterie, wie sie im Zentrum schwerer Atomkerne existiert. Solch heiße Quarkmaterie ist nämlich auch charakterisiert durch hohe Impulse der Konstituenten. In diesem Materiezustand können sich Quarks und Gluonen nahezu frei bewegen: Der Farbeinschluss, der ihre Bewegung in Kernmaterie auf Dimensionen des Radius eines Protons einschränkt, ist aufgehoben. Solche Materie existierte im frühen Universum bis etwa 10 Mikrosekunden nach dem Urknall [4] und wurde nach Edward Shuryak [5] Quark-Gluon Plasma (QGP) genannt. Ähnlich wie im Urknall besteht das am LHC produzierte QGP in (nahezu) gleichen Anteilen aus Materie und Antimaterie.
Das Phasendiagramm der QCD beschreibt die unterschiedlichen Phasen der starken Wechselwirkung: die hadronische Phase, in der die gegenwärtig bekannten Teilchen der starken Wechselwirkung, die Hadronen, existieren, sowie die QGP-Phase aus Quarks und Gluonen. Die Quarkmaterie-Forschung soll unter anderem beantworten, bei welcher Temperatur und Dichte der Übergang zwischen beiden Phasen stattfindet und wie aus den frei beweglichen, Farbladung tragenden Quarks und Gluonen die farblosen Hadronen entstehen, in denen die Konstituenten eingeschlossen sind (confinement). Im Folgenden beschreiben wir, wie man aus der Messung von Hadronen, die in Kern-Kern-Stößen bei hoher Energie entstehen, die Übergangstemperatur zwischen den beiden Phasen bestimmen kann. Die Ordnung des Phasenübergangs ist bisher nicht experimentell bestimmt, theoretische Analysen [1] geben aber sehr überzeugende Hinweise, dass zumindest für das bei LHC-Energien produzierte QGP der Phasenübergang kontinuierlich ist („cross over“) [6]. (...)