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Erstmals klare Jet-Diffusionsspur im Quark-Gluon-Plasma entdeckt
Wenn energiereiche Quarks und Gluonen durch Quark-Gluon-Plasma rasen, sollten sie das Medium hinter sich messbar verändern, ähnlich wie ein Boot eine Spur im Wasser hinterlässt. Genau diese sogenannte Diffusionsspur hat die CMS-Kollaboration nun erstmals eindeutig in Schwerionenkollisionen beobachtet. Das Signal überschreitet in einem wichtigen Impulsbereich die Fünf-Sigma-Schwelle.
Chicago (U.S.A.). Quark-Gluon-Plasma ist ein extrem heißer Materiezustand aus weitgehend freien Quarks und Gluonen, wie er kurz nach dem Urknall existiert haben dürfte. In Teilchenbeschleunigern lässt er sich für einen winzigen Augenblick erzeugen, wenn schwere Atomkerne nahezu mit Lichtgeschwindigkeit kollidieren. Frühere Messungen zeigten bereits, dass sich dieses Plasma wie eine Flüssigkeit mit sehr geringer innerer Reibung verhält.
Eine lang erwartete Folge dieses Verhaltens war bislang jedoch schwer direkt zu erkennen. Schnelle Quarks und Gluonen verlieren auf ihrem Weg durch das Plasma Energie und Impuls. Theoretische Modelle sagen voraus, dass diese Wechselwirkung hinter dem vorbeiziehenden Teilchenstrahl eine Zone mit weniger Teilchen erzeugt, die als Diffusionsspur bezeichnet wird. Bei Z-Boson-Jet-Ereignissen hatte CMS bereits Hinweise auf eine solche Reaktion des Mediums gefunden, deren statistische Aussagekraft für einen eindeutigen Nachweis noch nicht ausreichte.
Die CMS-Kollaboration hat dafür Daten des Large Hadron Collider (LHC) am CERN ausgewertet. Im Mittelpunkt standen Paare nahezu entgegengesetzt gerichteter Jets, also gebündelter Teilchenströme, die aus energiereichen Quarks oder Gluonen hervorgehen. Die Forscher verglichen Blei-Blei-Kollisionen, in denen Quark-Gluon-Plasma entsteht, mit Proton-Proton-Kollisionen bei derselben Kollisionsenergie von 5,02 Teraelektronenvolt pro Nukleonenpaar.
Entscheidend war der Abstand der beiden Jets entlang der Strahlrichtung. Das Team verglich Korrelationen zwischen den Jets und geladenen Teilchen für Ereignisse mit größerem und kleinerem Abstand. Dadurch ließ sich ein sehr schwaches Signal der Reaktion des Plasmas von anderen Effekten der Kollision trennen. Die Arbeitsgruppe der University of Illinois Chicago (UIC) spielte bei dieser Dijet-Analyse eine zentrale Rolle.
„Wir haben Jets viele Jahre genutzt, um die Eigenschaften des Plasmas zu verstehen. Es ist wie ein Röntgengerät“, sagt UIC-Physikerin Olga Evdokimov.
In den Blei-Blei-Kollisionen zeigte sich dort, wo die Diffusionsspur erwartet wird, ein deutlicher Mangel an geladenen Teilchen. Besonders klar war der Effekt bei Teilchen mit einem Transversalimpuls, also dem Bewegungsanteil quer zur Strahlrichtung, zwischen 1 und 2 Gigaelektronenvolt. In den zentralsten untersuchten Kollisionen wich das Signal um mehr als fünf Standardabweichungen von einem Zustand ohne Diffusionsspur ab.
Zugleich nahm der Effekt mit der Menge des erzeugten Plasmas zu. Bei zentralen Blei-Blei-Kollisionen war die Spur stärker als bei peripheren Zusammenstößen, bei denen sich die Kerne nur teilweise überlappen. Für Teilchen mit höherem Transversalimpuls zwischen 2 und 4 Gigaelektronenvolt fiel die Ausdünnung schwächer aus.
Auch der Vergleich mit theoretischen Modellen stützt die Interpretation. Simulationen mit Energieverlust der Jets und einer Reaktion des Mediums zeigen qualitativ denselben Trend, überschätzen die Stärke des Effekts jedoch teilweise. Modelle ohne Wechselwirkung zwischen Jet und Medium erzeugen dagegen keine entsprechende Ausdünnung.
Die Beobachtung liefert damit nicht nur ein weiteres Indiz dafür, dass Quark-Gluon-Plasma flüssigkeitsähnlich reagiert. Sie schafft zugleich eine neue Messgröße dafür, wie Energie und Impuls von schnellen Teilchen in dieses Medium übertragen werden. Form und Stärke der Diffusionsspur können künftig helfen, unterschiedliche Beschreibungen der Plasmadynamik gegeneinander zu testen.