De Large Hadron Collider (LHC) bij CERN botst meestal protonen tegen elkaar. Het zijn deze proton-protonbotsingen die leidden tot de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012. Maar 's werelds grootste versneller was ook ontworpen om zware ionen samen te breken, voornamelijk de kernen van loodatomen, en dat doet hij elk jaar gedurende ongeveer een maand. En om minstens twee goede redenen. Eerst, botsingen van zware ionen bij de LHC creëren in laboratoriumomstandigheden het plasma van quarks en gluonen waarvan wordt aangenomen dat het kort na de oerknal heeft bestaan. Tweede, de botsingen kunnen worden gebruikt om te testen en te bestuderen, bij de hoogste door de mens veroorzaakte temperaturen en dichtheden, fundamentele voorspellingen van kwantumchromodynamica, de theorie van de sterke kracht die quarks en gluonen samenbindt tot protonen en neutronen en uiteindelijk alle atoomkernen.

De LHC was niet de eerste machine die de oerknal-materie nabootste:in 2000, experimenten bij de Super Proton Synchrotron bij CERN vonden overtuigend bewijs van het quark-gluon-plasma. Ongeveer vijf jaar later, experimenten bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in het Brookhaven National Laboratory in de VS begonnen een tijdperk van gedetailleerd onderzoek van het quark-gluonplasma. Echter, in de 10 jaar sinds het botsingen bereikte met hogere energieën dan zijn voorgangers, de LHC heeft studies van het quark-gluon-plasma naar ongelooflijke nieuwe hoogten gebracht. Door een warmere, dichter en langer levend quark-gluon-plasma, evenals een groter aantal en assortiment deeltjes waarmee de eigenschappen en effecten ervan kunnen worden onderzocht, de LHC heeft natuurkundigen in staat gesteld om het quark-gluon-plasma met een ongekend detailniveau te bestuderen. Bovendien, de machine heeft onderweg enkele verrassende resultaten opgeleverd, het stimuleren van nieuwe theoretische studies van deze toestand van de materie.

"In het ultieme leerboek over de theorie van de sterke interactie, het hoofdstuk over het quark-gluonplasma zal worden gevuld met cijfers van LHC-gegevens, ", zegt ALICE-experimentwoordvoerder Luciano Musa.

"Deze cijfers blinken uit in dataprecisie en kinematisch bereik, en zij zijn de eersten die ons informeren over hoe quark-gluon-plasma-achtige eigenschappen geleidelijk ontstaan ​​naarmate men overgaat van proton-proton-botsingen naar zware-ionen."

Zware ramkoers

Wanneer zware kernen in de LHC op elkaar botsen, de honderden protonen en neutronen waaruit de kernen bestaan, geven een groot deel van hun energie af in een klein volume, het creëren van een vuurbal van quarks en gluonen. Deze kleine stukjes quark-gluonplasma bestaan ​​alleen voor vluchtige momenten, met de individuele quarks en gluonen, gezamenlijk bekend als partons, vormen snel composietdeeltjes en antideeltjes die alle kanten opvliegen. Door de dierentuin van deeltjes die bij de botsingen zijn geproduceerd te bestuderen - eerder, tijdens en nadat het plasma is gemaakt - onderzoekers kunnen het plasma bestuderen vanaf het moment dat het wordt geproduceerd tot het moment dat het afkoelt en plaats maakt voor een toestand waarin composietdeeltjes, hadronen genaamd, zich kunnen vormen. Echter, het plasma kan niet direct worden waargenomen. Zijn aanwezigheid en eigenschappen worden afgeleid uit de experimentele handtekeningen die het achterlaat op de deeltjes die bij de botsingen worden geproduceerd en hun vergelijking met theoretische modellen.

Dergelijke onderzoeken kunnen worden onderverdeeld in twee verschillende categorieën. De eerste soort studie onderzoekt de duizenden deeltjes die gezamenlijk uit een botsing van zware ionen tevoorschijn komen, het verstrekken van informatie over de wereldwijde, macroscopische eigenschappen van het quark-gluon plasma. De tweede soort richt zich op verschillende soorten deeltjes met grote massa of momentum, die zeldzamer worden geproduceerd en een venster naar binnen bieden, microscopische werking van het medium.

Bij de LHC, deze onderzoeken worden uitgevoerd door de samenwerkingsverbanden achter alle vier de belangrijkste LHC-experimenten:ALICE, ATLAS, CMS en LHCb. Hoewel ALICE aanvankelijk specifiek was ontworpen om het quark-gluon-plasma te onderzoeken, de andere drie experimenten hebben zich sindsdien ook bij dit onderzoek aangesloten.

Algemene eigenschappen

De LHC heeft gegevens opgeleverd die onderzoekers in staat hebben gesteld om met een hogere precisie af te leiden dan eerder verschillende globale eigenschappen van het medium bereikten.

"Als we met gesloten ogen naar twee verschillende muziekinstrumenten luisteren, we kunnen onderscheid maken tussen de instrumenten, zelfs als ze dezelfde noot spelen. De reden is dat een noot wordt geleverd met een reeks boventonen die het instrument een uniek onderscheidend geluid geven. Dit is maar één voorbeeld van hoe eenvoudige maar krachtige boventonen zijn bij het identificeren van materiaaleigenschappen. Natuurkundigen van zware ionen hebben geleerd hoe ze "boventonen" kunnen gebruiken bij hun studie van het quark-gluon-plasma. De beginfase van een botsing van zware ionen produceert rimpelingen in het plasma die door het medium reizen en boventonen opwekken. Dergelijke boventonen kunnen worden gemeten door de collectieve stroom van deeltjes te analyseren die uit het plasma vliegen en de detectoren bereiken. Terwijl eerdere metingen slechts eerste indicaties van deze boventonen aan het licht brachten, de LHC-experimenten hebben ze tot in detail in kaart gebracht. Gecombineerd met andere stappen in precisie, deze gegevens zijn door theoretici gebruikt om de eigenschappen van het plasma te karakteriseren, zoals de temperatuur, energiedichtheid en wrijvingsweerstand, die kleiner is dan die van enige andere bekende vloeistof, ", legt Wiedemann uit.

Deze bevindingen zijn vervolgens op meerdere manieren ondersteund. Bijvoorbeeld, de ALICE-samenwerking schatte de temperatuur van het plasma door fotonen te bestuderen die worden uitgezonden door de hete vuurbal. De geschatte temperatuur, ongeveer 300 MeV (1 MeV is ongeveer 10 ¹⁰ kelvin), hoger is dan de voorspelde temperatuur die nodig is om het plasma te creëren (ongeveer 160 MeV), en is ongeveer 40% hoger dan die verkregen door de RHIC-versneller.

Een ander voorbeeld is de schatting van de energiedichtheid van het plasma in de beginfase van de botsingen. ALICE en CMS behaalden een waarde tussen 12 en 14 GeV per kubieke femtometer (1 femtometer is 10 ^-15 meter), ongeveer twee tot drie keer hoger dan die bepaald door RHIC, en opnieuw boven de voorspelde energiedichtheid die nodig is om het plasma te vormen (ongeveer 1 GeV/fm ³ ).

De LHC heeft niet alleen meer deeltjes geleverd, maar ook meer verschillende soorten deeltjes waarmee het quark-gluonplasma kan worden onderzocht.

"De LHC heeft ons toegang gegeven tot een zeer breed palet aan sondes, " zegt ALICE natuurkundecoördinator Andrea Dainese.

"Samen met ultramoderne deeltjesdetectoren die een groter gebied rond de botsingspunten bestrijken, evenals geavanceerde methoden voor het identificeren en volgen van deeltjes, dit brede palet heeft een ongekend inzicht geboden in de innerlijke werking en effecten van het quark-gluonplasma."

Om een ​​paar voorbeelden te geven, kort nadat de LHC begon, ATLAS en CMS maakten de eerste directe observatie van het fenomeen jetquenching, waarin stralen van deeltjes gevormd bij de botsingen energie verliezen wanneer ze het quark-gluon-plasmamedium passeren. De samenwerkingen vonden een opvallende onbalans in de energieën van paren jets, met één straal bijna volledig geabsorbeerd door het medium.

Een ander voorbeeld betreft zware quarks. Dergelijke deeltjes zijn uitstekende sondes van het quark-gluon-plasma omdat ze worden geproduceerd in de beginfase van een botsing van zware ionen en daarom de volledige evolutie van het plasma ervaren. De ALICE-samenwerking heeft recentelijk aangetoond dat zware quarks de vorm en grootte van het quark-gluonplasma "voelen", wat aangeeft dat zelfs de zwaarste quarks met het medium meebewegen, die meestal is gemaakt van lichte quarks en gluonen.

De LHC-experimenten, in het bijzonder ALICE en CMS, hebben ook ons ​​begrip van het hiërarchische "smelten" in het plasma van gebonden toestanden van een zware quark en zijn antiquark aanzienlijk verbeterd, quarkonia genoemd. Hoe zwakker de staten zijn gebonden, hoe gemakkelijker ze zullen smelten, en als gevolg daarvan zullen ze minder overvloedig zijn. CMS was de eerste die deze zogenaamde hiërarchische onderdrukking voor bottomoniumstaten observeerde, die bestaan ​​uit een bottom-quark en zijn antiquark. En ALICE onthulde dat, terwijl de meest voorkomende vorm van charmonium staten, die zijn samengesteld uit een charm-quark en zijn antiquark, wordt sterk onderdrukt door het effect van het plasma, het wordt ook geregenereerd door de recombinatie van charm-quarks en antiquarks. Dit recombinatiefenomeen, voor het eerst waargenomen bij de LHC, biedt een belangrijke proeftuin voor theoretische modellen en fenomenologie, die een link vormt tussen de theoretische modellen en experimentele data.

Verrassingen in kleinere systemen

De LHC-gegevens hebben ook onverwachte resultaten opgeleverd. Bijvoorbeeld, de ALICE-samenwerking toonde aan dat de verhoogde productie van vreemde hadronen (deeltjes die ten minste één vreemde quark bevatten), die traditioneel wordt gezien als een signatuur van het quark-gluonplasma, ontstaat geleidelijk in proton-proton- en proton-loodbotsingen als het aantal deeltjes dat bij de botsingen wordt geproduceerd, of "veelvoud", neemt toe.

Een ander voorbeeld is het geleidelijke begin van een vloei-achtig kenmerk met de vorm van een richel met toenemende multipliciteit, die voor het eerst werd waargenomen door CMS in proton-proton- en proton-loodbotsingen. Dit resultaat werd verder ondersteund door ALICE- en ATLAS-waarnemingen van de opkomst van dubbele randkenmerken in proton-loodbotsingen.

"De ontdekking van zwaar-ion-achtig gedrag in proton-proton- en proton-kernbotsingen bij de LHC is een game-changer, ’ zegt Wiedemann.

"De LHC-gegevens hebben de lang gekoesterde opvatting vernietigd dat proton-proton-botsingen vrijstromende sets deeltjes produceren, terwijl botsingen met zware ionen een volledig ontwikkeld quark-gluon-plasma produceren. En ze vertellen ons dat in de kleine proton-proton-botsingssystemen er zijn meer fysieke mechanismen aan het werk dan traditioneel gedacht. De nieuwe uitdaging is om te begrijpen, binnen de theorie van de sterke kracht, hoe quark-gluon plasma-achtige eigenschappen geleidelijk ontstaan ​​met de grootte van het botsingssysteem."

Dit zijn slechts voorbeelden van hoe 10 jaar LHC de kennis van natuurkundigen van het quark-gluonplasma en dus van het vroege universum enorm heeft verbeterd. En met gegevens van de tweede run van de machine die nog steeds worden geanalyseerd en meer gegevens zullen komen van de volgende run en de High-Luminosity LHC, de opvolger van de LHC, een nog gedetailleerder begrip van deze unieke toestand van materie zal ongetwijfeld ontstaan, misschien met nieuwe verrassingen in de mix.

"Het komende decennium bij de LHC biedt veel mogelijkheden voor verdere verkenning van het quark-gluonplasma, ", zegt Musa. "De verwachte tienvoudige toename van het aantal lood-loodbotsingen zou zowel de nauwkeurigheid van metingen van bekende sondes van het medium moeten verhogen als ons toegang geven tot nieuwe sondes. In aanvulling, we zijn van plan om botsingen tussen lichtere kernen te onderzoeken, die verder licht zou kunnen werpen op de aard van het medium."