Die Kollisionen leichter Kerne am Large Hadron Collider liefern neue Hinweise auf einen extremen Zustand der Materie. Die Experimente ALICE, ATLAS, CMS und LHCb haben allesamt Phänomene beobachtet, die mit der Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas vereinbar sind.
Dieses Plasma soll das Universum in seinen ersten Mikrosekunden erfüllt haben. Bei Temperaturen, die mehr als 100.000 Mal so hoch sind wie die im Zentrum der Sonne, verlieren Protonen und Neutronen ihre übliche Struktur. Ihre Quarks und die Gluonen, die sie verbinden, können dann in einer sehr heißen und sehr dichten Materie zirkulieren.
Üblicherweise erzeugen Forscher diesen Zustand, indem sie schwere Kerne wie Blei zur Kollision bringen. Im Jahr 2025 ließ der LHC auch Sauerstoff- und Neonkerne aufeinandertreffen. Ihre geringe Größe ermöglicht es, die minimalen Bedingungen zu untersuchen, die für das Auftreten dieses Plasmas notwendig sind.
Jedes Experiment suchte nach einer anderen Signatur. ALICE, ATLAS und CMS haben unter anderem gemessen, wie sich die Teilchen nach der Kollision verteilen. In den Daten zeigen sich kollektive Ausrichtungen, als ob sich die erzeugte Materie kurzzeitig wie eine expandierende Flüssigkeit verhielte.
CMS hat außerdem eine Abnahme sehr energiereicher Teilchen beobachtet, verglichen mit den Erwartungen, die aus Proton-Proton-Kollisionen abgeleitet wurden. Dieses Phänomen kann auftreten, wenn Quarks oder Gluonen ein dichtes Medium durchqueren und dabei einen Teil ihrer Energie verlieren.
Künstlerische Darstellung der Bildung des Quark-Gluon-Plasmas.
Bild: CERN
Diese Kollisionen leichter Kerne liegen in einem Zwischenbereich zwischen Protonenkollisionen und Kollisionen schwerer Ionen. Sie können helfen zu bestimmen, ab welcher Größe ein Ensemble von Teilchen ein kollektives Verhalten annimmt. Diese Grenze bleibt eine der offenen Fragen der Kernphysik bei sehr hohen Energien.
Nun müssen die Teams die Daten von Sauerstoff und Neon genauer mit den hydrodynamischen Modellen vergleichen.