Nach der erfolgreichen Leckreparatur im August liefert der LHC wieder Kollisionen für die Experimente. Doch statt Protonen kollidieren nun Bleiionenstrahlen, was den ersten Schwerionenlauf seit fünf Jahren markiert.
Im Vergleich zu früheren Läufen werden die Bleikerne mit einer erhöhten Energie von 5,36 TeV pro Nukleon kollidieren (im Vergleich zu 5,02 TeV pro Nukleon zuvor) und die Kollisionsrate hat sich um den Faktor 10 erhöht. Das primäre physikalische Ziel dieses Laufs ist die Untersuchung des schwer fassbaren Zustands der Materie, bekannt als Quark-Gluon-Plasma, das vermutlich bis zu einer Millionstel Sekunde nach dem Urknall das Universum gefüllt hat und im Labor durch Schwerionenkollisionen wiederhergestellt werden kann.
Quark-Gluon-Plasma ist ein Materiezustand, der aus freien Quarks (Teilchen, aus denen Hadronen wie das Proton und das Neutron bestehen) und Gluonen (Träger der starken Wechselwirkung, die die Quarks innerhalb der Hadronen zusammenhalten) besteht. Außer unter den extremsten Bedingungen können Quarks nicht einzeln existieren und sind in Hadronen gebunden.
Bei Schwerionenkollisionen kollidieren jedoch Hunderte von Protonen und Neutronen und bilden ein System mit einer solchen Dichte und Temperatur, dass die kollidierenden Kerne zusammenschmelzen und ein winziger Feuerball aus Quark-Gluon-Plasma entsteht, der heißesten bekannten Substanz. In diesem Feuerball können sich Quarks und Gluonen für den Bruchteil einer Sekunde frei bewegen, bis sich das Plasma ausdehnt, abkühlt und sich wieder in Hadronen verwandelt.
Es wird erwartet, dass der laufende Schwerionenlauf erhebliche Fortschritte in unserem Verständnis des Quark-Gluon-Plasmas bringen wird. Zusätzlich zu den verbesserten Parametern der Bleiionenstrahlen wurden erhebliche Verbesserungen bei den Experimenten durchgeführt, die die Kollisionen erkennen und analysieren.
ALICE, das Experiment, das sich hauptsächlich auf die Untersuchung von Quark-Gluon-Plasma konzentriert, verwendet jetzt einen völlig neuen Modus der Datenverarbeitung, in dem alle Kollisionen ohne Auswahl gespeichert werden, was dazu führt, dass bis zu 100-mal mehr Kollisionen pro Sekunde aufgezeichnet werden. Darüber hinaus wurden die Effizienz und Präzision des Gleisumbaus durch die Installation neuer Subsysteme und die Modernisierung bestehender Subsysteme gesteigert.
CMS und ATLAS haben außerdem ihre Datenerfassungs-, Rekonstruktions- und Auswahlinfrastruktur verbessert, um von den erhöhten Kollisionsraten zu profitieren. ATLAS hat verbesserte Nullgradkalorimeter installiert, die bei der Ereignisauswahl von entscheidender Bedeutung sind und neue Messmöglichkeiten bieten. LHCb führt nicht nur Studien zu Blei-Blei-Kollisionen mit einem verbesserten Verfolgungssystem durch, sondern bereitet auch ein einzigartiges Programm von Festzielkollisionen von Bleikernen mit anderen Kerntypen vor. Dabei kommt sein einzigartiges SMOG2-Gerät zum Einsatz, das die Injektion verschiedener Gase in den Kern ermöglicht Kollisionsbereich des LHC.
Untersuchungen des Quark-Gluon-Plasmas in diesem Schwerion werden sich auf seltene Prozesse wie die Produktion schwerer Quarks, Quarkoniumzustände, realer und virtueller Photonen und schwerer Kernzustände konzentrieren. Es wird erwartet, dass die erhöhte Anzahl von Kollisionen die Messung der Temperatur des Plasmas mithilfe von Wärmestrahlung in Form von Photonen und Elektron-Positron-Paaren ermöglichen wird.
Die hydrodynamischen Eigenschaften des nahezu perfekten flüssigen Materiezustands werden detaillierter gemessen und mithilfe von Teilchen wie den Charm- oder Beauty-Quarks „tomographiert“, die in der Anfangsphase der Kollision erzeugt werden, das Plasma passieren und anschließend nachgewiesen werden. Alle diese Messungen werden weitaus präziser sein als bisher.
Neben Untersuchungen des Quark-Gluon-Plasmas werden sich die Experimente mit sogenannten ultraperipheren Kollisionen schwerer Ionen befassen, bei denen die Strahlen nicht direkt kollidieren, sondern ein Strahl ein hochenergetisches Photon aussendet, das auf den anderen Strahl trifft . Diese Kollisionen werden verwendet, um gluonische Materie im Inneren von Kernen zu untersuchen und seltene Phänomene wie Licht-für-Licht-Streuung und τ-Lepton-Photoproduktion zu untersuchen.
Fünf Jahre nach dem letzten Schwerionenlauf sind die Erwartungen hoch.