Na zeven succesvolle maanden waarin protonenbundels met elkaar botsen in de zoektocht naar nieuwe fundamentele deeltjes, de LHC begon vandaag protonenbundels te laten botsen met bundels bestaande uit zware ionen - de kernen van loodatomen.

De studie van deze asymmetrische botsingen zal natuurkundigen een nauwkeuriger inzicht geven in de toestand van het heelal een paar miljoenste van een seconde na de oerknal.

Tijdens deze korte periode, het heelal was gevuld met allerlei soorten deeltjes die zich met bijna de lichtsnelheid voortbewogen. Het mengsel werd gedomineerd door quarks – fundamentele eenheden van materie – en door gluonen, dragers van de sterke kracht die normaal gesproken quarks binden tot bekende protonen en neutronen. Op die eerste momenten van extreme temperaturen en dichtheden, protonen en neutronen waren nog niet gevormd en de quarks en gluonen waren slechts zwak gebonden, vrij om zich zelfstandig te verplaatsen in wat een quark-gluonplasma wordt genoemd.

Normaal gesproken, natuurkundigen recreëren deze omstandigheden door twee bundels te laten botsen die beide uit hetzelfde type zware ionen bestaan, zoals lood.

Maar op een nacht in september 2012, LHC-natuurkundigen kozen ervoor om voor het eerst bundels van twee verschillende deeltjes te laten botsen - zware ionen met de minder massieve protonen. Analyseren van de gegevens, de onderzoekers waren verrast om in een fractie van de botsingen tekenen te zien van een collectieve uitbreiding van het systeem, een soort mini-oerknal. Dit is een kenmerkend kenmerk van lood-loodbotsingen, en waarvan bekend is dat het verband houdt met de eigenschappen van quark-gluonplasma, maar het was nog nooit eerder gezien bij lood-protonbotsingen.

Vervolgens, in 2013, een volledige maand aan proton-loodbotsingen bevestigde die eerste waarnemingen.

Dit jaar, proton- en loodbundels zullen met twee verschillende energieën in botsing komen:5,02 TeV en, later in de maand, de maximaal mogelijke 8,16 TeV. De lagere energie zal gelijk zijn aan die van de lood-loodbotsingen in 2015, de eerdere proton-loodbotsingen en ook enkele proton-protonbotsingen, wat betekent dat onderzoekers directe vergelijkingen tussen alle drie kunnen maken.

"Proton-loodbotsingen zijn iets waar de LHC oorspronkelijk niet voor was voorzien, maar nu heeft het een nog grotere belangstelling voor natuurkunde dan was verwacht. Alle experimenten hebben zich aangesloten bij het programma, inclusief LHCb, dat oorspronkelijk geen experiment met zware ionen was, " zegt John Jowett, de CERN-versnellerfysicus die verantwoordelijk is voor zware ionen in de LHC.

Hoewel voor alle experimenten enkele gegevens nodig zijn, de lagere energie-run wordt voornamelijk uitgevoerd voor de wetenschappers van het ALICE-experiment van CERN, die veel meer gegevens willen verzamelen, van meer gebeurtenissen en met een hogere precisie, betere statistieken te krijgen dan in 2013.

"We zijn erg enthousiast over de mogelijkheid om in deze reeks een volledig nieuw facet van dit fenomeen te begrijpen. Als we begrijpen hoe sterk op elkaar inwerkende materie zich gedraagt ​​in het eenvoudigere proton-loodsysteem, zou dit de sleutel kunnen zijn om te begrijpen hoe het quark-gluonplasma wordt gevormd " legt Federico Antinori uit, gekozen woordvoerder van het ALICE-experiment van CERN.

Loodionen hebben een lading van 82 keer en zijn 206,4 keer zwaarder dan protonen. Deze asymmetrische balken botsen, met zeer verschillende eigenschappen en levensduur, leidt tot veel uitdagingen voor de fysici en operators van de LHC-versneller. Tijdens de technische stop van vorige week is veel voorbereidend technisch werk verricht, waaronder speciale aanpassingen aan de straalinstrumentatie van de LHC en de systemen die de straal injecteren.

"Men dacht dat dit helemaal niet zou werken, aangezien deeltjes van verschillende typen met verschillende snelheden rond de LHC bewegen - bij injectie-energie is de loden straal iets langzamer dan de protonen en maakt dus zeven minder omwentelingen rond de ring in een minuut (de protonen maken 674, 729 in die tijd). Die problemen werden in 2012 opgelost, maar de straalfysica en operationele opstelling blijven ingewikkeld en enigszins onontgonnen terrein", zegt Jowett.

"Dit is de eerste keer dat we lood-protonbotsingen hebben gedaan sinds 2013. het verstrekken van gegevens die belangrijk zijn voor het interpreteren van de resultaten van de lead-lead botsingen, " zegt Frédérick Bordry, CERN's directeur voor versnellers en technologie. "Het is ook de laatste ionenrun tot 2018."