Die ALICE-Kollaboration sieht weiträumige räumliche Korrespondenz in den bisher einfachsten Kollisionen

Wenn Atomkerne wie Gold- oder Bleikerne mit hoher Energie in Teilchenbeschleunigern kollidieren, können sie Quark-Gluon-Plasma (QGP) erzeugen – einen heißen und dichten Materiezustand, der kurz nach dem Urknall vorhergesagt wurde. Eines der Schlüsselmerkmale der QGP-Bildung bei solchen Schwerionenkollisionen ist eine weitreichende räumliche Übereinstimmung oder Korrelation zwischen den Partikeln, die bei den Kollisionen erzeugt werden.

Dieses kollektive Phänomen, das sich in Datenplots als kammartige Form manifestiert und als Kamm bekannt ist, wurde erstmals 2005 bei Schwerionenkollisionen am Relativistic Heavy-Ion Collider am Brookhaven National Laboratory in den USA beobachtet und wird seitdem beobachtet wurden am Large Hadron Collider (LHC) des CERN in kleineren Kollisionssystemen wie Kollisionen zwischen Protonen beobachtet.

Auf der heutigen Konferenz Rencontres de Moriond berichtete die ALICE-Kollaboration über die Beobachtung einer Gratkorrelation im bisher einfachsten Kollisionssystem. Das Ergebnis bringt Physiker der Suche nach dem Ursprung von QGP-ähnlichen kollektiven Phänomenen in kleinen Kollisionssystemen einen Schritt näher.

Die erste Beobachtung einer Gratkorrelation bei anderen Kollisionen als Schwerionenkollisionen wurde 2010 von der CMS-Kollaboration bei Protonenkollisionen mit „hoher Multiplizität“, die eine relativ große Anzahl von Teilchen erzeugen, gemacht. Bald darauf beobachteten CMS, ALICE und ATLAS das Phänomen auch bei Kollisionen zwischen Protonen und Bleikernen. Diese Beobachtungen kamen überraschend – man erwartete, dass solche Kollisionssysteme zu klein und einfach seien, um QGP-ähnliches kollektives Verhalten zu entwickeln. Weitere Studien haben gezeigt, dass die beobachteten Ridge-Korrelationen tatsächlich kollektiver Natur sind, aber die genauen Mechanismen, die dieses kollektive Verhalten in diesen kleineren und einfacheren Systemen untermauern, müssen noch identifiziert werden.

In ihrer neuesten Studie wollte die ALICE-Kollaboration untersuchen, ob eine Ridge-Korrelation auch bei Protonenkollisionen mit „niedriger Multiplizität“ auftritt, die eine relativ kleine Anzahl von Teilchen erzeugen. Die ALICE-Forscher analysierten eine große Stichprobe von Protonenkollisionen, die von der Kollaboration während des zweiten Laufs des LHC aufgezeichnet wurden, um zu untersuchen, wie der Kammeffekt von der Anzahl der bei den Kollisionen erzeugten Teilchen abhängt. Dann zeichneten sie in einem Diagramm die Anzahl der Teilchenpaare auf, die bei einer Reihe von Kollisionen mit geringer Multiplizität entlang zweier Winkelrichtungen relativ zur Kollisionsachse erzeugt wurden, und fanden eine klare gratartige Form.

Als nächstes untersuchte das ALICE-Team, wie sich die Anzahl der mit dem Rücken verbundenen Teilchenpaare mit der Vielfachheit veränderte, und verglich die Ergebnisse mit früheren Ergebnissen von Elektron-Positron-Kollisionen, die vom ALEPH-Experiment am Large Electron-Positron Collider, dem Vorgänger des LHC, aufgezeichnet wurden. Dieser Vergleich zeigte, dass bei gleicher Multiplizität die Ridge-Korrelation bei Protonenstößen stärker ist als bei Elektron-Positron-Kollisionen, bei denen bisher keine Ridge-Korrelation beobachtet wurde.

Diese neuen ALICE-Ergebnisse sowie zukünftige Studien auf der Grundlage von Daten aus dem dritten Lauf des LHC sollten Physikern helfen, die Mechanismen zu identifizieren, die das kollektive Verhalten in kleinen Kollisionssystemen steuern.