ALICE liefert neue Erkenntnisse über Y-Mesonen in Quark-Gluonen-Plasma

Das ALICE-Experiment am Large Hadron Collider (LHC). (Credit: CERN)
Das ALICE-Experiment am Large Hadron Collider (LHC). (Credit: CERN)

Wenige Millionstel Sekunden nach dem Urknall war das Universum so dicht und heiß, dass die Quarks und Gluonen, aus denen Protonen, Neutronen und andere Hadronen bestehen, in freier Form als sogenanntes Quark-Gluonen-Plasma existierten. Das ALICE-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) kann dieses Plasma mittels Hochenergiekollisionen von schweren Bleiionen nachbilden. Allerdings ist kein Kollisionsexperiment, das dieses Plasma erschaffen kann, dazu in der Lage, diesen Materiezustand direkt zu beobachten, ALICE eingeschlossen. Die Präsenz und die Eigenschaften des Plasmas können nur aus den Signaturen jener Teilchen abgeleitet werden, die bei den Kollisionen entstehen.

In einem neuen Artikel, der auf der European Physical Society Conference on High-Energy Physics präsentiert wurde, berichtet die ALICE Collaboration über die erste Messung einer solchen Signatur: Der sogenannte Elliptic Flow von Y-Mesonen, die bei Bleiionenkollisionen am LHC produziert wurden.

Das Y-Meson ist ein Bottomonium-Teilchen und besteht aus einem Bottomquark und dessen Antiteilchen. Bottomonium-Teilchen und ihre Charmquark-Cousins, die Charmonium-Teilchen, sind ausgezeichnete Objekte, um das Quark-Gluonen-Plasma zu untersuchen. Sie entstehen in den ersten Stadien einer Schwerionenkollision und erfahren daher die gesamte Entwicklung des Plasmas vom Moment seiner Entstehung bis zu dem Moment, wo es abkühlt und den Weg für einen Zustand freimacht, bei dem Hadronen gebildet werden können.

Ein Hinweis darauf, dass ein Quark-Gluonen-Plasma entsteht, ist die kollektive Bewegung (Flow) der produzierten Teilchen. Diese Bewegung wird durch die Expansion des heißen Plasmas nach der Kollision hervorgerufen, und seine Größenordnung hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dazu zählen beispielsweise der Teilchentyp und dessen Masse, wie “frontal” die Kollision abläuft, und die Drehimpulse der Teilchen in rechten Winkeln zur Kollisionslinie. Eine Bewegungsart, der Elliptic Flow, resultiert aus der anfangs elliptischen Form von nicht-zentralen Kollisionen.

In seiner neuen Studie bestimmte das ALICE-Team den Elliptic Flow der Y-Mesonen durch die Beobachtung der Myonenpaare (schwerere Cousins des Elektrons), in die sie zerfallen. Sie stellten fest, dass die Größenordnung des Elliptic Flow von Y-Mesonen für einen Bereich von Drehimpulsen und Kollisionsausrichtungen klein ist. Das macht die Y-Mesonen zu den ersten Hadronen, die keinen signifikanten Elliptic Flow aufzuweisen scheinen.

Die Ergebnisse stimmen mit der Voraussage überein, dass die Y-Mesonen in den frühen Stadien ihrer Interaktion mit dem Plasma größtenteils in ihre bestehenden Quarks zerfallen. Sie bereiten den Weg für präzisere Messungen mit Daten des verbesserten Detektors am ALICE-Experiment, der zehnmal mehr Y-Mesonen registrieren kann. Solche Daten sollten außerdem Licht auf den merkwürdigen Fall des J/psi Flow werfen. Dieses leichtere Charmonium-Teilchen besitzt einen größeren Flow, und man vermutet, dass es sich neu bildet, nachdem es von dem Plasma aufgespalten wurde.

Quelle

(THK)

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