Wenn zwei Bleiionen am Large Hadron Collider (LHC) kollidieren, erzeugen sie einen extrem heißen und dichten Materiezustand, in dem Quarks und Gluonen nicht in zusammengesetzten Teilchen, sogenannten Hadronen, eingeschlossen sind. Dieser Feuerball aus Teilchen – bekannt als Quark-Gluon-Plasma und vermutlich in den ersten paar Millionstelsekunden nach dem Urknall das Universum gefüllt – dehnt sich schnell aus und kühlt ab. Anschließend verwandeln sich die Quarks und Gluonen wieder in Hadronen, die aus der Kollisionszone in Richtung Teilchendetektoren fliegen.
Bei Kollisionen, bei denen die beiden Bleiionen nicht frontal kollidieren, hat der Überlappungsbereich zwischen den Ionen eine elliptische Form, die einen Abdruck im Hadronenfluss hinterlässt. Messungen einer solchen elliptischen Strömung bieten eine leistungsstarke Möglichkeit zur Untersuchung von Quark-Gluon-Plasma. In einem aktuellen Papier gepostet an die arXiv Auf dem Preprint-Server berichtete die ALICE-Kollaboration über eine neue Messung des elliptischen Flusses von Hadronen, die schwere Quarks enthalten, die besonders leistungsstarke Sonden des Plasmas sind.
Im Gegensatz zu den Gluonen und leichten Quarks, die den Großteil des bei Schwerionenkollisionen entstehenden Quark-Gluon-Plasmas ausmachen, werden schwere Charm- und Beauty-Quarks in den Anfangsstadien der Kollisionen erzeugt, bevor sich das Plasma bildet. Sie interagieren daher während seiner gesamten Entwicklung mit dem Plasma, von seiner Expansion und Abkühlung bis zu seiner Umwandlung in Hadronen.
Mehrere Wechselwirkungen mit den Bestandteilen des Plasmas bringen schwere Quarks innerhalb einer Zeit, die umgekehrt proportional zur Masse des Quarks ist, in ein thermisches Gleichgewicht mit dem Medium. Charm-Quarks sind leichter als Beauty-Quarks, daher wird für Charm-Quarks eine kürzere Thermalisierungszeit und ein höherer Thermalisierungsgrad erwartet als für Beauty-Quarks.
Sobald sie mit dem Plasma thermisch werden, bilden Charm-Quarks D-Mesonen und Beauty-Quarks B-Mesonen, indem sie sich mit den leichten Quarks des Mediums verbinden (siehe Abbildung oben). Vorherige Messungen haben gezeigt, dass der elliptische Fluss solcher „prompten“ D-Mesonen, die so genannt werden, weil sie unmittelbar nach den Kollisionen entstehen, fast so stark ist wie der der leichtesten Hadronen, der Pionen. Da die Thermalisierungszeit für Beauty-Quarks voraussichtlich länger ist als für Charm-Quarks, wird vorhergesagt, dass der elliptische Fluss von B-Mesonen schwächer ist als der von prompten D-Mesonen.
In ihrer jüngsten Analyse nicht frontaler Blei-Blei-Kollisionen, die während Lauf 2 des LHC auftraten, hat die ALICE-Kollaboration den elliptischen Fluss von B-Mesonen gemessen, indem sie den Fluss von „nicht-prompten“ D-Mesonen gemessen hat, die in erzeugt werden die Zerfälle von B-Mesonen. Der Schlüssel zur Analyse war die Einführung einer Technik des maschinellen Lernens, um die Zerfallsprodukte von nicht-prompten D-Mesonen von denen der prompten zu trennen und die vielen Hintergrundpartikelprozesse zu unterdrücken, die die Produktion und den Zerfall von D-Mesonen imitieren .
Die neue Messung zeigt, dass der elliptische Fluss der nicht-prompten D-Mesonen schwächer ist als der ihrer prompten Gegenstücke, was mit der Erwartung übereinstimmt. Das Ergebnis wirft ein neues Licht auf die Thermalisierung von Beauty-Quarks im Quark-Gluon-Plasma und ebnet den Weg für neue ALICE-Messungen auf der Grundlage von Daten aus Lauf 3 des LHC.
Mit 40-mal mehr Kollisionen als die Gesamtzahl, die ALICE in den vorherigen Perioden der Schwerionendatenerfassung aufgezeichnet hat, wird die neue Stichprobe von Blei-Blei-Kollisionen im Jahr 2023 eine detailliertere Untersuchung des Flusses von Charme- und Schönheitspartikeln ermöglichen weiteres Licht auf ihre Dynamik im Quark-Gluon-Plasma.
Mehr Informationen:
Messung des nicht-prompten elliptischen D0-Meson-Flusses in Pb-Pb-Kollisionen bei √sNN = 5,02 TeV, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2307.14084