In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurfysica , de ALICE-samenwerking meldt dat protonbotsingen soms vergelijkbare patronen vertonen als die waargenomen bij de botsingen van zware kernen. Dit gedrag werd waargenomen door observatie van zogenaamde vreemde hadronen bij bepaalde protonbotsingen waarbij een groot aantal deeltjes ontstaat. Vreemde hadronen zijn bekende deeltjes met namen als Kaon, Lambda, Xi en Omega, die allemaal minstens één zogenaamde vreemde quark bevatten. De waargenomen 'versterkte productie van vreemde deeltjes' is een bekend kenmerk van quark-gluonplasma, een zeer hete en dichte toestand van materie die slechts een paar miljoenste van een seconde na de oerknal bestond, en wordt vaak gecreëerd bij botsingen van zware kernen. Maar het is de eerste keer dat een dergelijk fenomeen ondubbelzinnig wordt waargenomen in de zeldzame protonbotsingen waarbij veel deeltjes ontstaan. Dit resultaat zal waarschijnlijk de bestaande theoretische modellen uitdagen die geen toename van vreemde deeltjes in deze gebeurtenissen voorspellen.

"We zijn erg enthousiast over deze ontdekking, " zei Federico Antinori, Woordvoerder van de ALICE-samenwerking. "We leren weer veel over deze oertoestand van materie. In staat zijn om de quark-gluon-plasma-achtige verschijnselen te isoleren in een kleiner en eenvoudiger systeem, zoals de botsing tussen twee protonen, opent een geheel nieuwe dimensie voor de studie van de eigenschappen van de fundamentele toestand waaruit ons universum is voortgekomen."

De studie van het quark-gluonplasma biedt een manier om de eigenschappen van sterke interactie te onderzoeken, een van de vier bekende fundamentele krachten, terwijl een verhoogde productie van vreemdheid een manifestatie is van deze toestand van materie. Het quark-gluonplasma wordt geproduceerd bij voldoende hoge temperatuur en energiedichtheid, wanneer gewone materie een overgang ondergaat naar een fase waarin quarks en gluonen 'vrij' worden en dus niet langer opgesloten zitten in hadronen. Deze omstandigheden kunnen worden verkregen bij de Large Hadron Collider door zware kernen met hoge energie te laten botsen. Vreemde quarks zijn zwaarder dan de quarks waaruit normale materie bestaat, en doorgaans moeilijker te produceren. Maar dit verandert in aanwezigheid van de hoge energiedichtheid van het quark-gluon plasma, die de creatie van vreemde quarks opnieuw in evenwicht brengt ten opzichte van niet-vreemde. Dit fenomeen is nu mogelijk ook waargenomen bij protonbotsingen.

Vooral, de nieuwe resultaten laten zien dat de productiesnelheid van deze vreemde hadronen toeneemt met de 'veelvoud' - het aantal deeltjes dat bij een bepaalde botsing wordt geproduceerd - sneller dan dat van andere deeltjes die bij dezelfde botsing worden gegenereerd. Hoewel de structuur van het proton geen vreemde quarks bevat, gegevens tonen ook aan dat hoe hoger het aantal vreemde quarks in het geïnduceerde hadron, des te sterker is de toename van de productiesnelheid. Er wordt geen afhankelijkheid van de botsingsenergie of de massa van de gegenereerde deeltjes waargenomen, wat aantoont dat het waargenomen fenomeen verband houdt met het vreemde quarkgehalte van de geproduceerde deeltjes. Vreemdheidsproductie wordt in de praktijk bepaald door het aantal vreemde deeltjes te tellen dat bij een bepaalde botsing wordt geproduceerd, en het berekenen van de verhouding tussen vreemde en niet-vreemde deeltjes.

Sinds het begin van de jaren tachtig werd een verhoogde vreemdheidsproductie gesuggereerd als een mogelijk gevolg van de vorming van quark-gluon-plasma. en ontdekt in botsingen van kernen in de jaren negentig door experimenten bij CERN's Super Proton Synchrotron. Een ander mogelijk gevolg van de vorming van quarkgluonplasma is een ruimtelijke correlatie van de deeltjes in de eindtoestand, waardoor een duidelijke voorkeursuitlijning met de vorm van een richel ontstaat. Na de detectie bij botsingen met zware kernen, de richel is ook waargenomen bij protonbotsingen met hoge multipliciteit bij de Large Hadron Collider, wat de eerste indicatie geeft dat protonbotsingen zware kernachtige eigenschappen kunnen vertonen. Het nauwkeuriger bestuderen van deze processen zal van cruciaal belang zijn om de microscopische mechanismen van het quark-gluonplasma en het collectieve gedrag van deeltjes in kleine systemen beter te begrijpen.

Het ALICE-experiment is ontworpen om botsingen van zware kernen te bestuderen. Het bestudeert ook proton-proton botsingen, die voornamelijk referentiegegevens leveren voor de botsingen met zware kernen. De gerapporteerde metingen zijn uitgevoerd met 7 TeV protonbotsingsgegevens van LHC-run 1.