Het ALICE-experiment op CERN heeft het ontstaan ontrafeld van lichte atoomkernen die nu en dan in botsingen in de LHC-versneller worden geproduceerd. Ze publiceren daarover vandaag in het wetenschappelijk tijdschrift Nature.
Deeltjesbotsingen in de Large Hadron Collider (LHC) kunnen temperaturen bereiken die meer dan honderdduizend keer hoger zijn dan in het centrum van de zon. Toch komen lichte atoomkernen en hun antimaterie-tegenhangers op de een of andere manier ongeschonden uit deze verzengende omgeving tevoorschijn, ook al zou je verwachten dat de bindingen die de kernen bij elkaar houden bij een veel lagere temperatuur zouden breken.
Natuurkundigen hebben zich decennialang afgevraagd hoe dit mogelijk is, maar nu heeft de ALICE-samenwerking experimenteel bewijs geleverd voor hoe dit gebeurt.
Onderzoekers van ALICE bestudeerden deuteronen (een proton en een neutron die aan elkaar gebonden zijn) en antideuteronen (een antiproton en een antineutron) die werden geproduceerd bij hoogenergetische botsingen van protonen in de LHC.
Ze vonden bewijs dat bijna 90 procent van de deuteronen en antideuteronen niet rechtstreeks uit de botsingen voortkwamen, maar werden gevormd door de kernfusie van deeltjes die uit de botsing voortkwamen, waarbij een van de samenstellende deeltjes afkomstig was van het verval van een kortlevend deeltje.
Belangrijke leemte
“Deze resultaten vormen een mijlpaal voor het vakgebied”, aldus Marco van Leeuwen, woordvoerder van het ALICE-experiment en verbonden aan Nikhef. “Ze vullen een belangrijke leemte in ons begrip van hoe kernen worden gevormd uit quarks en gluonen en leveren essentiële input voor de volgende generatie theoretische modellen.” Nikhef is een van de grote partners in het ALICE-experiment.
Deze bevindingen verklaren niet alleen een langdurig raadsel in de kernfysica, maar kunnen ook verstrekkende gevolgen hebben voor de astrofysica en kosmologie. Lichte kernen en antikernen worden ook geproduceerd in interacties tussen kosmische straling en het interstellaire medium, en ze kunnen worden gecreëerd in processen waarbij donkere materie betrokken is die het heelal doordringt.
Door betrouwbare modellen te bouwen voor de productie van lichte kernen en antikernen, kunnen natuurkundigen kosmische stralingsgegevens beter interpreteren en zoeken naar mogelijke signalen van donkere materie.
Vervalprocessen
“Deze observatie van ALICE biedt een solide experimentele basis voor het modelleren van de vorming van lichte kernen in de ruimte”, aldus Maximilian Mahlein, onderzoeker bij de ALICE-samenwerking aan de Technische Universiteit van München. “Het vertelt ons dat de meeste lichte kernen die we waarnemen niet in één thermische uitbarsting worden gevormd, maar door een reeks vervalprocessen en fusies die plaatsvinden terwijl het systeem afkoelt.”
De ALICE-samenwerking kwam tot deze conclusies door de deuteronen te analyseren die werden geproduceerd door botsingen van hoogenergetische protonen, geregistreerd tijdens de tweede run van de LHC. De onderzoekers hebben de impulsen gemeten van deuteronen en pionen, een ander type deeltje dat bestaat uit een quark-antiquarkpaar.
Ze ontdekten een verband tussen de impulsen van pionen en deuteronen, wat erop wijst dat de pionen en de protonen of neutronen van de deuteronen in feite afkomstig zijn van het verval van een kortlevend deeltje.
Delta-resonantie
Dit kortlevende deeltje, bekend als de delta-resonantie, vervalt in ongeveer een triljoenste van een triljoenste van een seconde tot een pion en een nucleon, d.w.z. een proton of een neutron. Het nucleon kan vervolgens fuseren met andere nabijgelegen nucleonen om lichte kernen te produceren, zoals een deuteron.
Deze kernfusie vindt plaats op korte afstand van het belangrijkste botsingspunt, in een koelere omgeving, waardoor de nieuw gevormde kernen een veel grotere kans hebben om te overleven.
Deze resultaten werden waargenomen voor zowel deeltjes als antideeltjes, waaruit blijkt dat hetzelfde mechanisme de vorming van deuteronen en antideuteronen regelt.
“De ontdekking illustreert de unieke mogelijkheden van het ALICE-experiment om de sterke kernkracht onder extreme omstandigheden te bestuderen”, aldus Laura Fabbietti, ALICE-natuurkundige en professor aan de Technische Universiteit van München.
Bron: CERN
