Vier Forschungskollaborationen am Large Hadron Collider des CERN haben Hinweise darauf gemeldet, dass Quark-Gluon-Plasma entstehen kann, wenn relativ leichte Atomkerne kollidieren. Die Ergebnisse von ALICE, ATLAS, CMS und LHCb umfassen Untersuchungen von Sauerstoff-Sauerstoff- und Neon-Neon-Kollisionen sowie Vergleiche mit Protonen und Sauerstoffkernen.

Quark-Gluon-Plasma ist ein extrem heißer und dichter Materiezustand, in dem Protonen und Neutronen in Quarks und die sie bindenden Gluonen zerfallen. Physiker glauben, dass es in den ersten Millionstelsekunden nach dem Urknall das Universum erfüllte. Bis vor Kurzem gingen Forscher im Allgemeinen davon aus, dass zu seiner Erzeugung Kollisionen sehr schwerer Atomkerne wie Blei erforderlich sind.

Die neuen Ergebnisse bauen auf früheren Hinweisen auf plasmaähnliches Verhalten bei Protonenkollisionen und den ersten Sauerstoffkollisionen am LHC auf. In den jüngsten Studien suchten Wissenschaftler nach mehreren Effekten, die auftreten können, wenn sich energiereiche Teilchen durch das dichte Material bewegen und dabei Energie verlieren.

ATLAS stellte Unterschiede in der Energie paarweise erzeugter Teilchenjets bei Sauerstoff- und Neonkollisionen fest. Der Effekt war bei zentraleren, frontalen Kollisionen stärker, von denen angenommen wird, dass sie ein größeres Plasmavolumen erzeugen. Vorläufige ATLAS-Ergebnisse mit Teilchen, die sich entgegen der Richtung von Photonen zurückbewegen, zeigten einen ähnlichen Zusammenhang.

CMS stellte fest, dass die Produktion geladener Teilchen bei Sauerstoff-Sauerstoff- und Neon-Neon-Kollisionen im Vergleich zu Proton-Proton-Kollisionen verringert war. LHCb beobachtete bei Neonkollisionen eine stärkere Unterdrückung von Teilchen mit Charm-Quarks als bei Sauerstoffkollisionen. Dies stimmt mit einem größeren Energieverlust in einem größeren Kollisionssystem überein. Der Vergleich neutraler Pionen bei Sauerstoff-Sauerstoff- und Proton-Sauerstoff-Kollisionen durch ALICE lieferte Hinweise auf einen Energieverlust von Partonen bei Sauerstoff-Sauerstoff-Kollisionen.

Die Kollaborationen berichteten außerdem über weitere mögliche Anzeichen. CMS fand unterschiedliche Grade der Unterdrückung bei Upsilon-Mesonen – Teilchen aus einem Bottom-Quark und seinem Antiquark – in Sauerstoff- und Neonkollisionen. LHCb meldete vorläufige Hinweise auf ein ähnliches Verhalten in Proton-Sauerstoff- und Sauerstoff-Sauerstoff-Daten.

In vorläufigen Ergebnissen zu Sauerstoffkollisionen beobachtete ALICE außerdem, dass Baryonen, die drei Quarks enthalten, eine stärkere Richtungsabhängigkeit zeigten als Mesonen, die zwei Quarks enthalten. Dieses als anisotroper Fluss bekannte Muster könnte die kollektive Bewegung widerspiegeln, die Quarks aus dem Plasma übernehmen.

Insgesamt stärken die Beobachtungen die Annahme, dass Bedingungen, die mit Quark-Gluon-Plasma verbunden sind, auch bei Kollisionen leichterer Atomkerne entstehen können, obwohl nicht alle der berichteten Anzeichen für sich genommen das Vorliegen des Plasmas belegen. Das CERN rüstet den LHC zum High-Luminosity LHC auf, der voraussichtlich wesentlich mehr Kollisionsdaten für weitere Untersuchungen liefern wird.

Quellen: ScienceDaily.