Bij botsingen met veel energie van zuurstofkernen in de LHC-versneller op CERN ontstaat het plasma van quarks en gluonen dat ook kort na de oerknal het jonge heelal vulde. Eerder werd dat alleen in loodbotsingen gezien.
Dat blijkt uit analyses van allevier de grote LHC-detectoren, van de eerste zuurstof-zuurstofbotsingen in de versneller, nu een jaar geleden. Fysici van Nikhef zijn nauw betrokken in deze detector-experimenten, met uitzondering van CMS.
QGP is een toestand van materie die ontstaat onder intense druk en bij temperaturen die meer dan 100.000 keer hoger liggen dan die in het centrum van de Zon. Onder deze extreme omstandigheden vallen samengestelde deeltjes uiteen in quarks en de gluonen die ze normaal gesproken bij elkaar houden.
Wetenschappers geloven dat dit de toestand van het heelal was in de eerste miljoensten van een seconde na de oerknal. En in het huidige heelal, bijna 14 miljard jaar later, kunnen ze QGP nabootsen en bestuderen met behulp van hoogenergetische kernbotsingen in de LHC.
Voorheen werd aangenomen dat het laten botsen van zware ionen, zoals lood – dat meer dan 200 keer zwaarder is dan de protonen die doorgaans in de LHC worden gebotst – de enige manier was om de omstandigheden te creëren die nodig zijn voor de vorming van QGP.
Maar recentelijk is deze aanname grondig in twijfel getrokken, onder meer eerder dit jaar toen de ALICE-samenwerking, die gespecialiseerd is in de studie van deze extreme toestand van materie, een nieuw teken van QGP uit proton-proton- en proton-loodbotsingen rapporteerde.
Vorig jaar openden de LHC-samenwerkingen een nieuwe weg om QGP te onderzoeken toen ze de eerste aanwijzingen voor QGP uit zuurstof-zuurstofbotsingen vonden. Nu, na nog grondiger onderzoek, hebben de LHC-experimenten meerdere aanwijzingen voor de vorming van QGP waargenomen bij zuurstof-zuurstof- en neon-neon-botsingen.
Een van de aanwijzingen voor de vorming van QGP is dat snel bewegende quarks en gluonen energie verliezen wanneer ze door dit hete, dichte medium gaan, een fenomeen dat bekendstaat als partonenergieverlies. De ATLAS-samenwerking heeft ondubbelzinnig waargenomen dat partonenergieverlies optreedt door een onbalans tussen paren deeltjesjets die worden geproduceerd bij zuurstof-zuurstof- en neon-neon-botsingen. Dit effect werd duidelijker bij meer frontale (centrale) botsingen, waarbij een groter volume QGP tot meer energieverlies leidt. Voorlopige ATLAS-studies naar geladen deeltjes die terugkaatsen tegen fotonen tonen eveneens dezelfde afhankelijkheid van de botsingscentraliteit, wat overeenkomt met het energieverlies van de terugkaatsende deeltjes terwijl ze het QGP doorkruisen.
De ALICE-, CMS- en LHCb-samenwerkingsverbanden kozen voor een andere aanpak om aanwijzingen voor partonenergieverlies te vinden, door te bestuderen hoe dit de productie van verschillende soorten energetische deeltjes onderdrukt.
CMS constateerde een onderdrukking van de productie van geladen deeltjes bij zuurstof-zuurstof- en neon-neon- botsingen in vergelijking met proton-proton-botsingen, wat duidt op partonenergieverlies en de aanwezigheid van QGP bij de botsingen met lichte ionen. Nikhef maakt geen deel uit van de CMS-samenwerking.
In een ander onderzoek vergeleek LHCb hoe deeltjes bestaande uit een charm-quark en een licht quark werden onderdrukt in zuurstof-zuurstof- en neon-neon-botsingen, en vond bewijs dat de onderdrukking prominenter wordt in de zwaardere neon-botsingen. Dit is een verwacht kenmerk van partonenergieverlies en komt overeen met de vorming van een QGP met een groter volume naarmate de botsingsomvang toeneemt.
Om rekening te houden met de mogelijkheid dat andere mechanismen dan partonenergieverlies kunnen bijdragen aan de onderdrukking van de deeltjesproductie, heeft ALICE een vergelijking gemaakt tussen de productie van een ander type deeltje – neutrale pionen – bij zuurstof–zuurstof- en proton–zuurstof-botsingen. Deze vergelijking leverde ondubbelzinnig bewijs op voor partonenergieverlies bij zuurstof–zuurstof-botsingen.
Een andere aanwijzing voor de vorming van een QGP is de onderdrukking van kortstondige gebonden toestanden, bestaande uit een zwaar quark en zijn antiquark, die vaak worden geproduceerd als gevolg van botsingen met hoge energie. De quarks in deze paren kunnen in verschillende mate aan elkaar gebonden zijn en onderzoekers kunnen de aanwezigheid van een QGP afleiden door te meten hoe het elk van de verschillend gebonden toestanden onderdrukt.
CMS vond bewijs voor deze variërende onderdrukking bij upsilon-mesonen – gebonden toestanden van een bottom-quark en zijn antiquark – door zuurstof–zuurstof- en neon–neon-botsingen te vergelijken. LHCb vond voorlopig bewijs voor dezelfde onderdrukking, maar dan met gegevens van proton–zuurstof- en zuurstof–zuurstof-botsingen.
Ten slotte heeft de ALICE-samenwerking voorlopige resultaten gepubliceerd die een nieuwe aanwijzing voor QGP suggereren. De samenwerking ontdekte dat deeltjes bestaande uit drie quarks (baryonen), geproduceerd bij zuurstof-zuurstofbotsingen, in een bepaalde richting werden uitgezonden – een fenomeen dat bekendstaat als anisotrope stroming – en wel sterker dan deeltjes bestaande uit twee quarks (mesonen).
De belangrijkste verklaring hiervoor is de aanwezigheid van QGP, waardoor deeltjes die bij een botsing worden geproduceerd en zich met een gemiddeld impuls bewegen, een anisotrope stroming vertonen. Het feit dat baryonen één quark meer bevatten dan mesonen, betekent dat zij meer van deze stroming overnemen.
Bron: CERN
