Das kleinste Urknalltröpfchen: Sauerstoffkerne überraschen am LHC
Neue LHC-Daten zeigen: Selbst leichte Sauerstoffkerne erzeugen offenbar Quark-Gluon-Plasma – Materie aus der Frühzeit des Universums.
Im 27 km langen Tunnel des Large Hadron Collider am CERN prallen Teilchen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit aufeinander. Neue Messungen mit Sauerstoff- und Neonkernen liefern Hinweise auf Quark-Gluon-Plasma – einen Materiezustand aus der Frühzeit des Universums.
Foto: picture alliance/KEYSTONE | CHRISTIAN BEUTLER
Um das extrem heiße und dichte Quark-Gluon-Plasma zu erzeugen, ließen Physikerinnen und Physiker am Large Hadron Collider (LHC) des CERN bislang vor allem schwere Bleikerne aufeinanderprallen. Nun zeigen neue Messungen: Offenbar reichen deutlich kleinere Kollisionssysteme aus. Alle vier großen LHC-Experimente (ATLAS, ALICE, CMS und LHCb) haben in Zusammenstößen von Sauerstoff- und Neonkernen deutliche Spuren des extremen Materiezustands nachgewiesen.
Besonders prägnant ist dabei der gemessene Energieverlust schneller Quarks und Gluonen. Die neuen Ergebnisse könnten helfen, eine zentrale Frage der Hochenergiephysik endlich zu beantworten: Wie groß muss ein kollidierendes Kernsystem mindestens sein, damit sich ein Quark-Gluon-Plasma bildet?
Inhaltsverzeichnis
Jets verlieren im Medium Energie
Den bislang stärksten Befund liefert das ATLAS-Experiment. Bei Teilchenkollisionen entstehen gewöhnlich zwei entgegengesetzt gerichtete Teilchenjets. In einfachen Proton-Proton-Kollisionen besitzen diese meist ähnlich große Impulse.
In den Sauerstoff-Sauerstoff- (O+O) und Neon-Neon-Kollisionen (Ne+Ne) gerieten die Jets dagegen zunehmend aus dem Gleichgewicht. Je stärker sich die beiden Atomkerne beim Zusammenstoß überlappten, desto deutlicher fiel dieser Unterschied aus. In zentralen Kollisionen überschritt die statistische Signifikanz die in der Teilchenphysik maßgebliche Nachweisgrenze von fünf Standardabweichungen ().
Die Erklärung der Forschenden: Die hochenergetischen Quarks und Gluonen, aus denen die Jets hervorgehen, durchqueren das bei der Kollision entstandene Medium und geben dabei Energie ab. Dieser sogenannte Jet-Quenching-Effekt gilt als eine der wichtigsten Schlüssel-Signaturen für das Vorhandensein eines Quark-Gluon-Plasmas. Laut ATLAS handelt es sich bei den Sauerstoff- und Neon-Systemen um die bisher kleinsten Kollisionen, in denen dieser Effekt eindeutig belegt werden konnte.
Was ist ein Quark-Gluon-Plasma?
Under normalen Bedingungen treten Quarks niemals frei auf (Confinement) – sie sind fest in Protonen, Neutronen und anderen Hadronen eingeschlossen. Erst bei extrem hohen Temperaturen und Dichten lösen sich diese Bindungen vorübergehend auf.
Es entsteht das Quark-Gluon-Plasma – ein ultraheißen Gemisch aus Quarks und den sie vermittelnden Gluonen, das sich physikalisch nahezu wie eine reibungsfreie, ideale Flüssigkeit verhält. Ein solcher Zustand prägte das Universum vermutlich in den ersten Millionsteln einer Sekunde nach dem Urknall. Im LHC lässt er sich für winzige Bruchteile von Sekunden nachbilden, wobei Temperaturen von über 100.000-mal heißer als im Inneren der Sonne erreicht werden.
Die nun ausgewerteten Daten stammen aus einem speziellen Testlauf des LHC. Dabei prallten erstmals Protonen auf Sauerstoffkerne sowie Sauerstoff- und Neonkerne aufeinander. Die Kollisionsenergie lag bei 5,36 Tera-Elektronenvolt (TeV) pro Nucleonenpaar. Zum Vergleich: Ein Sauerstoffkern besteht aus 16 dieser Kernbausteine, ein Neon-20-Kern aus 20.
ALICE grenzt andere Kerneffekte ein
Das auf Schwerionenphysik spezialisierte ALICE-Experiment untersuchte die Produktion neutraler Pionen. In Sauerstoff-Sauerstoff-Kollisionen entstanden sichtbar weniger energiereiche Pionen, als man anhand von Standard-Proton-Proton-Daten erwartet hätte.
Eine solche Unterdrückung muss jedoch nicht zwangsläufig auf ein heißes Plasma zurückgehen. Auch die veränderte Grundstruktur und Zusammensetzung der kollidierenden Atomkerne kann die Teilchenproduktion beeinflussen. ALICE wertete deshalb zusätzlich Proton-Sauerstoff-Daten aus, um diese sogenannten Effekte kalter Kernmaterie sauber zu isolieren.
Dort zeigte sich keine vergleichbare Unterdrückung. Ein aus beiden Messreihen gebildeter Vergleichswert wich mit 4,9 Standardabweichungen von Modellrechnungen ohne Energieverlust ab – für die ALICE-Kollaboration ein klarer Beleg für den Energieverlust von Quarks und Gluonen in O+O-Kollisionen.
CMS findet weniger energiereiche Teilchen
Auch CMS beobachtete in Sauerstoff-Sauerstoff-Kollisionen weniger geladene Teilchen mit hohem Querimpuls als erwartet. Der sogenannte Kernmodifikationsfaktor erreichte bei einem Querimpuls von etwa 6 GeV einen Wert von 0,69. Ohne Kerneffekte läge er bei 1.
Vereinfacht bedeutet das: In diesem Impulsbereich registrierte CMS rund 31 % weniger Teilchen als anhand entsprechend hochgerechneter Proton-Proton-Daten zu erwarten gewesen wären. Modelle mit einem Energieverlust der Quarks und Gluonen beschreiben das Ergebnis besser als Modelle ohne diesen Effekt. Die Untersuchung ist bereits in den Physical Review Letters erschienen.
Eine weitere CMS-Analyse betrachtete sogenannte Upsilon-Zustände. Sie bestehen aus einem Bottom-Quark und einem Bottom-Antiquark. In Sauerstoff-Sauerstoff-Kollisionen waren die schwächer gebundenen angeregten Zustände stärker unterdrückt als der stabilere Grundzustand. Die relative Unterdrückung des Υ(3S)- gegenüber dem Υ(2S)-Zustand erreichte eine Signifikanz von mehr als drei Standardabweichungen. Ein solches abgestuftes Muster ist aus größeren Systemen mit Quark-Gluon-Plasma bekannt.
Neon verstärkt den Effekt
LHCb verglich die Produktion von D⁰-Mesonen in Sauerstoff-Sauerstoff- und Neon-Neon-Kollisionen. Diese Teilchen enthalten ein Charm-Quark und ein leichtes Antiquark.
Die Unterschiede zwischen beiden Kollisionssystemen ließen sich nicht allein mit Veränderungen der Kernstruktur erklären. Das Ergebnis passt dagegen zu einem einsetzenden Einfluss von Quark-Gluon-Plasma, der mit zunehmender Größe der kollidierenden Kerne stärker wird. Die LHCb-Arbeit wurde zur Veröffentlichung bei den Physical Review Letters eingereicht.
Wo beginnt das Plasma?
Die Experimente beobachten das Quark-Gluon-Plasma nicht direkt. Sie messen dessen erwartete Auswirkungen auf die erzeugten Teilchen. Einzelne Effekte können auch andere Ursachen haben. Entscheidend ist deshalb, dass mehrere Experimente mit unterschiedlichen Methoden zu ähnlichen Ergebnissen kommen.
ATLAS weist Jet Quenching nach. ALICE grenzt Effekte kalter Kernmaterie ein. CMS beobachtet sowohl eine verringerte Teilchenproduktion als auch die abgestufte Unterdrückung gebundener Quarkzustände. LHCb erkennt zudem eine Abhängigkeit von der Größe des kollidierenden Kernsystems.
Zusammengenommen sprechen diese konsistenten Daten der vier Detektoren dafür, dass bereits die Kollision vergleichsweise leichter Sauerstoff- und Neonkerne ausreicht, um ein heißes, dichtes Medium mit den typischen Eigenschaften eines Quark-Gluon-Plasmas zu erzeugen. Damit bilden leichte Kerne das entscheidende Bindeglied zwischen einfachen Protonenkollisionen und den gewaltigen Systemen aus schweren Bleikerne
Quellen und weiterführende Informationen
- CERN: Neue Hinweise auf Quark-Gluon-Plasma aus Sauerstoff- und Neonkollisionen
- ATLAS: Jet Quenching in Sauerstoff- und Neonkollisionen
- ALICE: Nachweis von Partonen-Energieverlust in Sauerstoffkollisionen
- CMS: Unterdrückte Produktion geladener Teilchen
- CMS: Abgestufte Unterdrückung von Upsilon-Zuständen
- LHCb: Charm-Produktion in Sauerstoff- und Neonkollisionen
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