Im Large Hadron Collider bewegen sich Strahlen aus Protonen und Bleiionen fast mit Lichtgeschwindigkeit. Sie tragen ein starkes elektromagnetisches Feld, das wie ein Photonenstrom agiert, während sich der Strahl durch den Beschleuniger bewegt. Wenn die beiden Strahlen am LHC nahe aneinander vorbeilaufen, ohne miteinander zu kollidieren, kann einer der Strahlen ein Photon mit sehr hoher Energie emittieren, das den anderen Strahl trifft. Das kann in Photon-Nukleus-, Photon-Proton-, oder sogar Photon-Photon-Kollisionen resultieren.
Die ALICE Collaboration untersucht diese Kollisionen, um Protonen und die innere Struktur von Atomkernen zu erforschen und hat kürzlich auf der LHCP-2023-Konferenz neue Ergebnisse darüber veröffentlicht.
Photonen sind ideale Hilfsmittel, um das Innere von Atomkernen zu untersuchen. Wenn ein Photon mit einem Atomkern kollidiert, werden normalerweise zwei Gluonen ausgetauscht (Austauschteilchen der starken Wechselwirkung), was in der Erzeugung eines Quark-Antiquark-Paares mündet. Die Forscher unterscheiden darüber hinaus zwei verschiedene Klassen dieser Kollisionen: Wenn ein Photon mit dem ganzen Atomkern interagiert (eine kohärente Kollision) und wenn ein Photon mit einem einzigen Nukleon innerhalb des Atomkerns interagiert (eine inkohärente Kollision).
Innerhalb der Atomkerne suchten die Wissenschaftler nach einer hohen Anzahl an Gluonen, was für eine hohe Gluonendichte spricht. Theoretische Modelle besagen, dass die Gluonendichte innerhalb von Atomkernen zunimmt, wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit annähern. Wenn die Dichte stark genug ansteigt, wird der Atomkern mit gluonischer Materie gesättigt, was bedeutet, dass die Anzahl der Gluonen im Atomkern nicht weiter ansteigen kann. Die direkte Untersuchung von gluonischer, gesättigter Materie ist eine der schwierigsten Herausforderungen auf dem Gebiet der starken Wechselwirkungen und eine solche Beobachtung könnte zu weiteren Einblicken in die innere Struktur von Protonen und Atomkernen führen.
Wenn ein Charm-Quark-Antiquark-Paar bei einer Photon-Atomkern-Kollision entsteht, wird das als J/ψ-Mesonproduktion bezeichnet. Wissenschaftler erforschen, wie kohärent die J/ψ-Mesonproduktion mit der Energie der Photonen variiert, um nach Gluonensättigkeitseffekten zu suchen. Wenn die Energie der Photonen zunimmt, wird es leichter und leichter, die gluonische Materie innerhalb des Atomkerns zu “sehen”. Die neuen ALICE-Ergebnisse zur J/ψ-Mesonproduktion anhand von Daten aus dem 2. LHC-Betriebslauf decken einen größeren Impulsbereich ab als frühere Messungen aus dem 1. Lauf und stimmen mit den Erwartungen der Gluonensättigungsmodelle überein.
Inkohärente Kollisionen bieten die Gelegenheit, geometrische Konfigurationen der Quantenfluktuationen in der inneren Struktur des Protons zu untersuchen. Die ALICE Collaboration erreicht das durch die Beobachtung der Verteilung der Impulse, die auf das J/ψ-Meson übertragen werden. In einer neuen Studie konnte die ALICE Collaboration zeigen, dass diese Impulsübertragung nur beschrieben werden kann, wenn Gebiete mit gesättigter gluonischer Materie (sogenannte gluonische Hotspots) in die Modelle miteinbezogen werden.
Die ALICE Collaboration wird diese Phänomene im Rahmen der LHC-Betriebsläufe 3 und 4 weiter erforschen, bei denen Hochpräzisionsmessungen mit größeren Datengrundlagen leistungsfähigere Hilfsmittel bereitstellen werden, um die Rollen der Sättigung und der gluonischen Hotspots besser zu verstehen.
Studien:
ALICE Collaboration, 2023 https://arxiv.org/abs/2305.06169
ALICE Collaboration, 2023 https://arxiv.org/abs/2304.12403
ALICE Collaboration, 2023 https://arxiv.org/abs/2304.10928
ALICE Collaboration, 2023 https://arxiv.org/abs/1809.03235
(THK)
Antworten